專業的引力波解讀 ——《天文學進展》見證下的引力波探索路

眾所周知，2016年2月11日，美國國家科學基金會於華盛頓特區的國家媒體中心正式宣布了激光干涉引力波觀測站（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory; LIGO）探測到了引力波，探測精度達到了1e-22，相當於可以看到4000米的探測臂發生了萬分之一倍質子尺寸大小的變化。引力波源是兩個已經併合的黑洞，基於對信號波形的分析，可以推知併合前質量分別是36倍和29倍太陽質量，併合之後質量為62倍太陽質量，減少的3倍太陽質量（能量）以引力波方式被輻射出去。這表明了人類首次直接探測到了引力波，直接看到了一次雙黑洞併合。消息一經宣布，就如一夜春風來，千網萬網遍說引力波，千街萬巷皆談引力波。

也許是對「引力波」字眼變得敏感，近日，在瀏覽《天文學進展》期刊主頁時，發現從2014年3月至2016年1月，三篇有關引力波的綜述文章刊登在該期刊上，從不同角度綜述了引力波探測以及國際上的研究進展，從對引力波探測意義的探討到方法的論述，從對探測工具——激光干涉儀引力波探測器的綜述，到引力波數據處理的研究。這與LIGO探測到引力波當然沒有關係，但卻鮮明地告訴我們：此時此刻，中國就有一批人在關注著引力波的研究，探索著中國自己的引力波研究領域的發展道路。也許，發表在《天文學進展》的這三篇論文給予了我們小窗口，讓我們看到了他們探索進程的一種樸素表達。

《天文學進展》，是由中國科學院上海天文台和中國天文學會主辦的天文學術刊物，1983年6月創刊，每一季度一期。它主要刊登反映國內外天文學各分支學科最新研究進展的評述性文章；也發表研究論文、學科前沿介紹、研究快報、專題講座和學術活動報道等稿件。其主要讀者對象為天文學各分支學科及相關學科的科研人員、大專院校師生、研究生。

言歸正傳，這三篇有關引力波的文章分別發表於2014年第3期、2015年第1期和2016年第1期。作者包括了來自於北京師範大學、清華大學、中國計量科學研究所、西澳大學、中國科學院、中國科學技術大學、中科院大學、北京工業大學、首都師範大學、河南大學、河南理工大學、華中科學技術大學（按照2014年-2016年發表的這三篇文章的作者所屬單位出現的先後排序）的研究者們。

文章1，2014年第3期刊登的《激光干涉儀引力波探測器》系統地介紹了激光干涉儀引力波探測器的性能和工作原理，詳細分析了其關鍵部件，如：邁克爾遜干涉儀、法布里{珀羅腔、功率循環系統、激光器、清模器、倒擺、單體幾何反彈簧過濾器、真空系統等的結構、性能和工藝特點，展望了其廣闊的發展前景。

希望了解激光干涉儀引力波探測器的工作原理的朋友們，強烈推薦你們去讀讀這篇文章。太花時間？好吧，這裡就選取文中的兩點來和大家分享。

在地球上建造的激光干涉儀引力波探測器主要的雜訊源有哪幾種呢？（參考至文1）

（1）地面震動雜訊：指由於自然現象和人類活動引起的。如微地震，海浪的運動，，大風引起的房屋及樹木的晃動對地基的影響，大雨及冰雹引起的地面震動，交通運輸、工農業生產、礦山開採、建築工地引起的地面震動等。典型的地表震動雜訊對探測器靈敏度的影響在低頻部分（幾十赫茲以下）最嚴重的，而這個頻帶的地表震動是普通隔震系統最難處理的。

（2）霰(xian)彈雜訊：激光束強度的漲落在干涉儀輸出端引起的雜訊。

（3）輻射壓力雜訊：我們知道光具有波粒二象性，試想光在干涉儀臂中的來回反射，是不是相當於光束中的光子在臂中往返運動，這些光子撞擊到鏡子表面之後，使鏡子感受到一種壓力，稱為光輻射壓力。由於光子數目並不總是固定不變的，存在一定的漲落，從而導致鏡子收到的輻射壓力也在漲落，這種漲落會造成鏡子位置的波動，形成雜訊，稱之為輻射壓力雜訊。

（4）熱雜訊：系統中的鏡子和懸掛系統的熱雜訊影響最大。它們會與所處環境進行能量交換，交換來的能量會使鏡子本身及本身發生熱運動，導致位置漲落，形成雜訊。

（5）引力梯度雜訊：鏡子周圍質量分布的變化引起的雜訊。

（6）散射光子雜訊：在光的傳播過程中，少部分激光會被散射離開主光束。當它們被反射回來時，會和干涉儀中攜帶引力波信號的光束耦合。但這些散射光已經攜帶了它們之前散射面的信息，因此會污染期望中的信號，形成雜訊。

（7）殘餘氣體雜訊：激光干涉儀引力波探測器的真空室和真空管道中會有少量氣體殘留下來，這些殘餘氣體除了會產生熱雜訊外，它們的密度擾動會影響激光束傳播，產生殘餘氣體雜訊。

激光干涉儀引力波探測器的組成部分有哪些呢？

以LIGO為例，它有兩個L型邁克爾遜激光干涉儀，分別在華盛頓的漢福德和路易斯安那的利文斯頓，兩者相距3002千米。對於其中的一個L型探測器，兩臂長度均為4千米，一束激光被分光鏡分為互相垂直的兩束。由於在交叉處和每一條臂的末端都垂放著大約直徑34厘米、重達40千克的反射鏡，因此每束激光都分別在一系列反射鏡上來回反射很多次，最終回到交叉處發生干涉。如果兩臂長度保持不變，那麼將最終干涉相消，光線不會抵達光電探測器，即最終在輸出上看不到干涉信號。但是如果由於引力波輕微地拉伸一條臂，壓縮另一條臂，相互干涉的兩束激光束就不再能干涉相消，干涉結果將顯示出來，使光線外泄到光電探測器上。輸出的信號中就蘊含了兩臂的相對長度變化，進而告訴我們引力波的消息，LIGO探測器主要測量的就是這種由於兩臂相對長度變化帶來的干涉信號。

其實，每一個L型探測器是一台「變異」的邁克爾遜干涉儀，其相互垂直的兩臂各有一個法布里——珀羅腔，並帶有光循環鏡和其它功能部件。為什麼要變異成這樣呢？

干涉儀的臂長越大，對引力波的響應也就越強。為了獲得最佳探測效果，根據計算，邁克爾遜干涉儀的臂長應為75千米。在地球上建造這樣一個大尺度的干涉儀是不可能的：第一，造價太高；第二，在這麼大的平面上，地表的球面效應很大，不能在把它看成一個平面。於是就想到是否可以將臂摺疊起來，是光在其中的形成達到引力波的最佳探測效果，而摺疊後的長度又合適，使我們有可能在地球上建造。這種技術就是GEO600的光延遲技術，和用於LIGO、VIRGO和TAMA300的法布里——珀羅腔。以下介紹應用更普遍的法布里——珀羅腔。

法布里——珀羅腔

光學上，法布里——珀羅干涉儀是一種由兩塊平行的玻璃板組成的多光束干涉儀，其中兩玻璃板的內表面具有高反射率。引力波探測器採用法布里——珀羅腔是用來在毫秒量級的時間上儲存光子，使其在諧振腔的反射鏡間反覆震蕩，從而增大臂的有效長度，提高引力波探測器的靈敏度。例如，通過在分光鏡之後和兩臂兩端裝上反射率極高的鏡子，使得光被反射了400次之後才發生干涉，並輸出信號。

功率循環鏡

激光干涉儀引力波探測器對激光束有5個方面的要求，其中之一便是需要高輸出功率，而且得穩定。引力波探測器的靈敏度與激光功率正相關，LIGO在升級前的激光功率只有10瓦，升級後提高至200瓦。此外，LIGO還採用了功率循環技術來提高幹涉儀內的有效功率。基本想法是「把從干涉儀中反射出來的光(即被浪費的功率) 重新收集起來，再注入干涉儀中，進行循環利用。在激光器和分光器之間放上一篇鏡子，稱為功率循環鏡，等於在干涉儀上又組成了一個法布里——珀羅腔。腔的一個端鏡是功率循環鏡，另一面端鏡是把干涉儀等效成的一個複合鏡，我們稱這個法布里{珀羅腔為『功率循環腔』。為使激光干涉儀引力波探測器獲取最高的靈敏度，功率循環腔要與入射光發生共振。光循環的作用只是相當於使用一個功率更大的激光器來照射干涉儀。」

LIGO的超真空環境

10000立方米的真空腔內，氣體壓僅是萬億分之一個大氣壓。為什麼要保持真空環境呢？1. 避免聲波的干擾，而聲波無法在真空環境下傳播，2. 如果不是真空環境，空氣的溫度變化和空氣流會影響LIGO光學系統。如何保證是真空的呢？需要長達1100小時的恆定抽氣，使得室內壓強達到最佳工作壓力。在那時，渦輪泵真空除去管道內的空氣，而管道自身也在30天期間被加熱到150-170攝氏度去除其內部殘餘的氣體分子。

LIGO的減震系統

例如，在數百或數千赫茲上，激光器上的單個光子在與鏡子碰撞時會產生輻射壓雜訊。為了平滑這樣的雜訊，研究人員採用加大光強並裝置厚重的鏡子的方法。在頻率為數十或更低時，地震波震動主導，所以研究人員使用複雜的懸掛系統將鏡子懸空，並動態地糾正地震波的震動。

還有更多的組成部分也在文章1（（http://202.127.29.4/twxjz/abstract/2014/20140306.pdf））中提及，這裡就不一一提及。

文章2，發表於2015年第1期《天文學進展》。文中提到，「空間引力波探測是研究宇宙早期恆星演化和星系形成、黑洞和星系的共同成長等天文學和宇宙學重大問題的一條重要可能途徑。經過兩期科學院先導科技專項空間科學預研究課題的開展，通過權衡技術的可行性與科學的前瞻性，選擇以高紅移開始的中至大質量雙黑洞併合系統、星團等稠密動力學環境中涉及中等質量黑洞的雙黑洞引力波波源為主要科學目標，給出了我國毫赫茲至赫茲頻段空間引力波探測任務計劃的初步設計。以該任務設計建議為依據，簡要介紹空間引力波探測及其作為一種新的天文觀測手段的科學內涵，以及我國空間引力波探測任務設計的科學目標和探測潛力。」

文中還介紹了我國空間伊犁博探測與研究所建議的任務設計，指出將「沿用空間激光干涉引力波探測最自然的三角形位形結構，衛星陣列由3 顆在地球繞日軌道上運動的衛星組成，應用差分激光干涉技術，測量相鄰航天器內做測地運行的自由懸浮檢驗質量之間的實時距離變化來測量通過衛星之間的引力波」，並詳細介紹了主要科學目標。

更多的細節將可以在文章2（http://202.127.29.4/twxjz/abstract/2015/20150104.pdf）中找到。

文章3，發表於2016年第1期《天文學進展》。自從GW150914引力波事件後，很多人好奇科學家們是如何從「喧鬧」的聲音中識別出引力波的聲音，還探究出它的來源——雙黑洞的併合。也許科普文章上告訴你，是通過類似指紋識別的方式來比對觀測結果和根據理論電腦模擬的結果，來追蹤引力波源。但具體怎樣做的、當中的複雜程度如何，我們無從了解。這篇文章就介紹了引力波數據處理和分析的常用工具軟體，興趣盎然的朋友們可以點進去看看，它詳細討論了時間- 頻率分析、複合分析法、脈衝星計時分析法、匹配過濾器、模板和蒙特- 卡羅模擬等引力波數據分析中使用的基本方法。

更多的細節將可以在文章3（即將上線）中找到。

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