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.     

解密引力波——时空震颤的涟漪

引力波由时空弯曲引起,并以光速传播.爱因斯坦通过广义相对论预言了引力波的存在.2015年9月14日LIGO引力波天文台首次探测到引力波信号,这是人类首次直接探测到引力波,也是首次探测到双黑洞并合事件.我们特别邀请LIGO科学联盟的两位教授从他们的实际科研工作出发,向我们详细解密引力波的前世今生.     

地基引力波探测激光干涉仪的真空残余气体噪声分析

引力波是时空弯曲产生的涟漪波动.引力波探测对促进人类认识自然和科学技术进步均具有深远意义.由于引力波信号非常微弱,地基引力波探测器需要超高真空环境来保证激光干涉仪的稳定运行.本文阐述了残余气体噪声对地基引力波探测装置灵敏度的影响,并从第三代地基引力波探测原型机和全尺寸装置的真空系统设计出发,通过理论分析和模拟,给出真空系统压强、环境温度、残余气体质量和种类、测试质量的曲率半径等因素对引力波探测灵敏度的影响.这为引力波探测原型机和全尺寸装置的真空系统设计和建设提供了重要的理论依据.     

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.     

《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     

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。     

引力波与引力波探测:一个全新的空间信息通道

简述了引力波探测的历史,介绍了对质量谐振探测器、地面激光干涉引力波探测器、空间激光干涉引力波探测器,以及引力波在宇宙微波背景上极化效应的相关探测方案,评述了微波频带的高频引力波探测方案.     

双中子星的并合及其引力波和电磁信号

2017年,轰动世界的引力波事件GW170817被确认来自于双中子星的并合。这是人类历史上首次探测到这种极端、剧烈的天体物理事件。双中子星是两个致密天体——中子星组成的系统,由双恒星系统经历漫长演化后形成。文章将从双中子星并合前、并合过程中与并合后全面地描述这种剧烈的天文现象,走进一段神奇而迤逦的旅程。未来随着引力波观测设备的升级,有望再次看到来自宇宙深处的引力波以及伴随的丰富多彩的电磁信号。     

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．     

量子十问之九量子传感刷新测量技术极限

<正>人类社会的发展进程从某种意义上就是测量技术不断进步的过程。测量技术的核心就是追求更高的精度。当前,最精密的测量仪器是激光干涉仪引力波天文台(LIGO)。利用它人类首次观测到了引力波事件,代表了人类当前最高的测量本领。如何进一步提高测量精度,科学家们不约而同地把目光聚向基于量子力学的量子精密测量技术。一般情况下可以通过两种方式     

时空的乐章——引力波百年漫谈(一)

<正>一、称不上源头的源头2016年2月11日,美国激光干涉引力波天文台(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory,简称LIGO)宣布观测到了引力波。这是在经过近半个世纪的不成功尝试之后,人类首次观测到了这种曾被爱因斯坦(A.Einstein)预言过的现象。LIGO观测到引力波的消息激起了媒体和公众的极大兴趣,甚至一度致使LIGO网站因访客过多而瘫痪。LIGO观测到的引力波来自一对黑洞的合并,这对黑洞的质量均     

激光干涉引力波天文台探测到的引力波事件中的黑洞

2016年2月11日,激光干涉引力波天文台(LIGO)发布了震惊世界的科学新闻:爱因斯坦100年前预言的引力波终于被人类探测到了!而且这个引力波事件GW150914来自于两个恒星级质量黑洞的并合!众多大众和专业媒体都对此做了大量的报道和介绍,引起了大众的普遍关注,因此文章将从不同的角度简要回答有关产生这个引力波事件中的两个黑洞的几个问题:为什么爱因斯坦不相信黑洞存在?怎么知道这样的天体是黑洞?物质是如何掉到黑洞里面的?如何获得独立的证据证明这样的引力波事件的确来自于黑洞的并合?探测这样的引力波事件对于我们理解黑洞有什么进一步的作用?     

光子芯片中类比引力的研究

探索和理解引力场弯曲时空的本质一直是人类孜孜不倦追求的目标。尤其最近天文学上两大事件:激光干涉引力波天文台探测到引力波信号以及事件视界望远镜拍到黑洞的影子,进一步激发人类对古老而神秘引力的兴趣。尽管人类在探测引力现象的天文实验技术上取得了巨大的进步,但是对于有些引力现象的研究仍然面临着挑战,特别是与引力有关的量子效应。另一方面,类比引力系统为人类研究引力效应提供了一个新的实验平台,它可以在实验室环境下研究目前天文观测仍面临挑战的引力现象,例如黑洞附近引力场的量子效应。文章将介绍以光子芯片作为一种类比引力的实验体系而实现的引力场弯曲时空的模拟与研究。     

用零输出的设备探测引力波

理论估计传到地球上的引力波非常弱,激光干涉引力波探测器被设计用来探测引力波,在没有引力波传来时,激光干涉引力波探测器应该是零输出。为达到这样的目的,必须和众多的噪声作斗争。     

在热噪声中的脉冲引力波的检测

一、引 言 探测引力波的原理,类似于接收电磁波.大家都知道带电粒子在电磁波的作用下会被激发而产生振动.一个质量块在引力波的作用下,它的各个质点也会产生“颤动”.从而使整个质量块产生机械形变.这种形变可以通过压电晶体等传感器转化为电信号后记录下来.但由于引力常数极为微小。引力波接收天线所接收到的引力波信号能量将大大低于天线的热噪声能量.而且根据理论上的预测,能够辐射强大引力波能量的天体活动过程是引力捕获和引力坍缩[1],这种过程是脉冲性的。前后持续仅几个毫秒,振动方向改变二到四次.现在采用的引力波接收天线一般都是…     

探索的历程——引力波的发现

正2016年11日是个值得纪念的日子,这一天美国科学家对外宣布探测到引力波,这是人类首次直接探测到了引力波,同时也验证了已有百年的爱因斯坦广义相对论预言的引力波的存在。这次成果是分别由位于美国路易斯安那州列文斯顿和华盛顿州汉福德的激光干涉引力波观测台(LIGO)的一对探测器探测到的。下面就让我们回顾一下围绕引力波发生的那些事……图1,1916年6月,爱因斯坦预测了宇宙中的涟漪。根据广义相对论,引力是质量巨大物体周围时空的扭曲。爱因斯坦认为时空会产生涟漪并产生"引力波"并以光     

利用脉冲星测到引力波了?

想象一下,能将引力波探测器延伸至银河系的边缘吗?北美纳赫兹引力波天文台(NANOGrav)正是这样的组织,通过监测河内若干脉冲星的脉冲到达时间来测量距离的改变.2020 年 NANOGrav 宣称发现脉冲到达时间出现涨落,可能是纳赫兹引力波的证据.黑洞合并可产生这种引力波,但不排除其他波源,包括宇宙弦、宇宙早期黑洞形成...     

基于普通物理分析LIGO引力波数据

LIGO小组首次直接探测到双黑洞并合过程中产生的引力波辐射,打开了观测宇宙的一个全新窗口.本文利用牛顿力学,量纲分析,以及将引力波与电磁波类比等方法分析了LIGO小组观测到的引力波数据.这些简单的分析能够解释LIGO数据的主要物理结论,估算结果在数量级上与LIGO数据基本一致.本文对黑洞质量,引力波源到地球的距离,双黑洞并合前的初始距离,以及辐射的总能量等参数的估算与LIGO和VIRGO小组给出的结论基本一致.(2017美国物理教师协会)     

多波段引力波宇宙研究和空间太极计划

正1.引言2016年2月11日激光干涉引力波天文台(LIGO)实验组宣布直接观测到由两颗恒星级黑洞在十多亿年前并合后产生的引力波;时隔仅仅四个月,在6月16日LIGO宣布再一次观测到双黑洞合并产生的引力波信号。这两次实验结果不仅是对100年前爱因斯坦广义相对论所预言的引力波的直接验证,更为人类进一步探索宇宙的起源、形成和演化提供了一个全新的观测手段,也为深入研究超越爱因斯坦广义相对论的量子引力理论提供了实验基础。通过探测各个频段的引     

地下引力波探测器

日本物理学家建成了世界上第一个地下引力波探测器.初步检验表明,由于地下的环境噪声减低使得在矿井中的激光干涉仪引力波小型观测站(LISM )能够稳定地工作.探测器安置在超神冈中微子探测器附近地下1km深处.引力波是时空结构中的波动,可由空间中大块物质加速而产生.然而,即使像