引力波天文学——一个观测宇宙的新窗口

 引力波是爱因斯坦"广义相对论"最重要的预言,引力波探测是当代物理学重要的前沿领域之一。以引力波探测为基础的引力波天文学是一门正在崛起的新兴交叉科学,由于引力辐射独特的物理机制和特性,使得引力波天文学研究的范围更广泛﹑更全面,物理分析更精确﹑更深刻。     

引力波的预言、探测和发现

引力波是爱因斯坦在广义相对论的重要预言,引力波探测是当代物理学最重要的前沿领域之一。以引力波探测为基础的引力波天文学是一门新兴的交叉科学,是对传统电磁辐射天文学的巨大拓展与补充。文中讨论了引力波的预言和特性,给出了引力波探测的主要方法,详细分析了激光干涉仪引力波探侧器的工作原理和基本结构,介绍了引力波事例GW150914的主要参数和探测、数据处理。     

激光干涉仪引力波探测器的噪声和灵敏度

 引力波是爱因斯坦“广义相对论”的重要预言，引力波探测是当代物理学重要的前沿领域之一。引力波的发现开辟了引力波天文学研究的新纪元。早在1916年，爱因斯坦就根据弱场近似，预言了引力波的存在。但是直到今天引力波才被发现，前仆后继，科学家为之奋斗达百年之久。关键的困难就是引力波强度太弱，引力波探测器的灵敏度太低，引力波信号完全湮没在噪声本底之中。在引力波天文学研究蓬勃发展的今天，降低噪声、提高灵敏度仍是激光干涉仪引力波探测器发展的关键课题。     

从引力波探测到包含引力波的多信使天文学

2015年9月14日,LIGO实现了人类的第一次引力波直接探测.该实验结果在2016年2月公布,并被命名为GW150914.随后引力波探测的进展非常迅速.到目前为止已确认双黑洞并合引力波探测结果 4例,分别包括GW150914,GW151226,GW170104和GW170814.已确认的双中子星并合引力波探测结果 1例,GW170817.另外还有疑似双黑洞并合引力波探测结果 1例LVT151012.受引力波探测的驱动,关于引力波的物理学和天文学研究在2016年以来发展也异常的迅速.本文将对引力波探测和引力波天文学相关的理论物理问题做简要的介绍和展望.特别是引力波天文学能够研究的理论物理问题、引力波数据处理所涉及的理论问题和引力波理论描述的问题,本文做了较为详细和深入的介绍,同时还讲述了著名科学家如爱因斯坦等在相关问题上的研究故事.     

激光干涉仪引力波探测器的噪声和灵敏度

<正>引力波是爱因斯坦"广义相对论"的重要预言,引力波探测是当代物理学重要的前沿领域之一。引力波的发现开辟了引力波天文学研究的新纪元。早在1916年,爱因斯坦就根据弱场近似,预言了引力波的存在。但是直到今天引力波才被发现,前仆后继,科学家为之奋斗达百年之久。关键的困难就是引力波强度太弱,引力波探测器的灵敏度太低,引力波信号完全湮没在噪声本底之中。在引力波     

引力波探测中的标志性事例GW170814和GW170817

<正>金秋十月是收获的季节,引力波探测也频传佳音,不平凡的第四个事例GW170814和第五个事例GW170817相继发现。在引力波天文学的研究中具有里程碑式的意义。标志着引力波探测又跃上一个新台阶。1.第四个引力波事例GW170814     

通向天基引力波探测器

正来自LISA探路者任务的初步结果表明,对于处于自由落体状态的两个测试立方体,它们之间的相对加速的噪声很小,满足天基引力波探测的要求。2016年2月,激光干涉引力波天文台(LIGO)探测到由两个黑洞合并引发的引力波。这一结果的公布使很多物理和天文学领域的科学家感到震惊和兴奋。当所有的眼光转向LIGO时,LISA探路者(LPF)正静悄悄但信心十足地为引力波天文学的下一场革命铺平道路。LPF是激光干涉空     

激光干涉引力波探测器——人类的宇宙助听器

爱因斯坦预言引力波100周年之际,人类首次直接探测到引力波信号。文章简单介绍了这次的主角——高新激光干涉引力波天文台(advanced LIGO)的光学与激光部分技术。激光干涉引力波探测器,本质上是一个迈克尔孙干涉仪。原初的迈克尔孙干涉仪也曾在否定以太理论、促使相对论创立的过程中起关键作用。而基于爱因斯坦受激发射理论发展起来的激光技术也在引力波探测中立下汗马功劳。出于协同测量与定位以及扩展引力波探测频段等方面的考虑,除LIGO之外,还有多个地面和空间激光干涉引力波探测器在建或在研。可以预计,当前只是引力波探测技术与引力波天文学发展的开端。     

认识和探测宇宙的基本方法介绍

人类对宇宙最早的认识和观测始于可见光,之后由于有1865年麦克斯韦对电磁波的预言,1887年赫兹的证实,以及1933年杨斯基发现银河系的射电辐射,可见光观测自此扩展到电磁波多波段观测,出现了多波段天文学。1912年,赫斯发现宇宙线,使得天文观测在电磁波观测之外多了一种手段,拉开了多信使天文学的序幕。1987年,戴维斯和小柴昌俊发现了来自超新星爆发的中微子信号,这也是人类首次探测到了来自宇宙的中微子,至此又多了一种认识和观测宇宙的信使。此后,2016年美国激光干涉引力波观测站LIGO探测到引力波,在补齐对于验证爱因斯坦广义相对论的最后一块拼图的同时,也使得引力波成为多信使天文学中最新引入的一种信使。本文介绍了电磁波、宇宙线、中微子、引力波这四种信使的基本概念、发现历史以及探测宇宙的基本原理,对其代表性的实验进行了收集整理,并就其中的一个典型实验进行了简要介绍。期望能够就多波段多信使天文学的发展历程给出一个比较完整的描摹。     

收听黑洞的宇宙哼鸣

正最近对来自外空间的引力波的探测将天文学引领到一个新纪元。至今,激光干涉仪引力波天文台(LIGO)和Virgo的团队已观察到来自一些黑洞并合以及一对双中子星并合的引力波。但是所探测到的这些事件只不过是冰山一角。估计在宇宙中质量与恒星质量相当的一对黑洞,每几分钟便发生一次并合。双中子星每15秒左右发生一次并合。然而只有少数这种并合发生在足够近处,而能被探测到。澳大利亚Monash大学的Rory Smith和Eric     

《中国光学》“空间引力波探测”专题征稿

正2016年2月12日,美国LIGO地面引力波探测实验组正式宣布人类历史上第一次直接观测到了宇宙中双黑洞并合产生的引力波信号,开启了迈向引力波天文学的新纪元。2017年10月3日,2017年诺贝尔物理学奖授予三位LIGO引力波实验组的科学家,以奖励他们在"LIGO探测器以及引力波探测方面的决定性贡献"。2017年10月16日,美国LIGO和意大利室处女座引力波天文台(Virgo)联合宣布于2017年8月17日首次     

一“波”发现

正James Hough教授娓娓讲述了过去30年从建造引力波探测器原型到革命性地发现引力波的故事。1989年初,我在《物理世界》里写道:"引力波会被探测到,那时它将打开一个全新的天文学窗口。"在刚过去的3年里,我们共探测到了6例引力波。我很高兴地看到,文章中的很多预言都变成了现实。在约一个世纪以前,爱因斯坦在广义相对论中预言了引力波的存     

天文学家目击中子星相撞

<正>近十来年,天文学重大突破之一是成功地协同观测中子星相撞时产生的引力波和电磁波信号。这一发现始于2017年8月17日(故编号为GW170817):随着激光干涉引力波天文台(LIGO)和室女座干涉仪(Virgo)合作组对引力波的发现、定位以及费米伽马射线空间望远镜(Fermi)的快速认证,超过70多台地面和空间探测设备在X射线、可见光、红外、射电等波段捕获了该并     

用电磁方法探测高频引力波

 一、高频引力波不能使用传统方法进行探测根据广义相对论的预言,利用引力波的潮汐效应,可以对引力波进行探测。最早的引力波探测方法是共振质量法,其典型装置除韦伯棒(WeberBar)外,还有ALLEGRO(美国)、EXPLORER(意大利)等。它们的共同特点是将棒状或球状质量作为引力波的耦合天线,如果天线接收到了引力波信号,则天线上的不同部分之间将发生伸缩效应,利用声电转换(比如压电效应)可以将机械振动转换成电信号,测量电信号就可以确认是否探测到了引力波信号;这一类引力波探测装置对引力波共振的频率一般为102104Hz.     

《引力波探测》

正王运永教授的新作《引力波探测》已由科学出版社出版。引力波天文学是近年来开辟的探索宇宙奥秘的新窗口。多年来大家比较熟悉的利用各种波段的电磁辐射和高能宇宙射线研究天体已经取得多方面成果,但是同广义相对论和宇宙起源密切联系的引力波虽然经过五十多年理论与实验的探索,实现其测量是十分困难的。可喜的是利用长距离双向激光干涉系统经过十余年建造和改进,     

空间引力波探测望远镜初步设计与分析

引力波的直接观测已开启引力波天文学的新篇章,爱因斯坦的百年预言终获证实。空间引力波探测器使得探测0.1 m Hz~1 Hz频段丰富的引力波源成为可能,与地面引力波探测器互为补充,才可实现更加宽广波段的引力波探测,揭开宇宙早期的更多秘密。空间激光干涉引力波探测采用外差干涉测量技术,测量间距百万公里的两自由悬浮测试质量间10 pm量级的变化量。望远镜是激光干涉测量系统的重要组成部分,1 pm的光程稳定性及苛刻的杂散光要求,不同于传统的几何成像望远镜。本文根据空间太极计划任务需求,对望远镜的功能及技术要求进行了分析,并完成了原理样机的初步方案设计,针对百万公里远场波前分布,分析了望远镜系统的敏感性,同时完成了在轨光机热集成仿真,为后面原理样机的研制奠定了技术基础。     

数值相对论与双中子星并合

双中子星并合过程的引力波信号GW170817已经成功被LIGO直接探测,并合过程中的电磁对应体:短伽马射线暴GRB170817A以及光学、红外、紫外波段的千新星AT2017gfo也被多个天文台一同探测到,这标志着多信使天文学时代的开始。而数值相对论,即用数值模拟的方法研究双星并合的过程,在引力波探测、理解引力波源性质等方面起到举足轻重的作用。除此之外,数值相对论模拟的结果,也是我们理解千新星观测现象的重要工具。文章将回顾数值相对论建立、发展的历史,并介绍其在引力波探测、理解观测现象中所扮演的重要角色。     

X射线在天体物理学中的应用

 天体物理学是天文学与物理学的交叉学科,是20世纪自然科学发展的一个极其重要的分支。现代天体物理学的重要探测手段之一是借助射电技术设备接收并研究宇宙天体的辐射。这些辐射按波长可分为若干波段,如无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和γ射线等。按观测的电磁波段可分为光学天文学、射电天文学和空间天文学等。     

一种新的宇宙信使

正激光干涉仪引力波天文台(LIGO)和室女座引力波探测器(Virgo)最近对两颗并合中子星的引力波进行了第一次观测,连同来自全球多台望远镜和空间卫星的数据,开启了多信使天文学的新纪元。Imre Bartos描述了这个划时代的时刻,这是数十年研究的辉煌成果,也将塑造观测天文学的未来。     

压缩的光线和引力波

一种在高精度光学测量中降低啄声的方法将很快用于引力波的探测，探测引力波的最有希望的途径是观测引力波在探测器中（如激光干涉仪引力波观测站）悬挂着的镜子上的细微的效应．