五花八門的引力波探測器中,，為什么是LIGO真的笑·笑出聲·笑到了最后？

1,、引力波探測器的分類
愛因斯坦同志1916年就提出引力波這茬了,，到六十年代左右，就有人開始琢磨怎么探測引力波,。最早的引力波探測器長這樣：


一個大鋁筒,。基本原理是,，如果引力波的頻率跟鋁筒的共振頻率一致,，會引起它的顯著收縮-拉伸。旁邊的人叫Joe Weber，公認(rèn)的引力波探索先驅(qū),。他曾在1969年宣布,，用這臺機(jī)器測到了引力波。

但是同行重復(fù)他的實驗,，沒有一個能重現(xiàn)這一結(jié)果的,。所以大家認(rèn)為他搞錯了。

這次測到的引力波的振幅是10^-21,。很明顯,，用越大的數(shù)字去乘這個10^-21，會得到一個越大的結(jié)果,。這個鋁筒這么小,，顯然得不到什么結(jié)果,。要知道LIGO的臂長就有4 km,，內(nèi)部更是讓光路反射了400次，激光光路長度達(dá)到1600km,，這么大的數(shù)去乘那個10^-21,，才勉強(qiáng)得到一個大約跟質(zhì)子半徑一個量級的變化。所以這種幾十年前的棒狀引力波探測器,，顯然不可能有什么結(jié)果,。

后來人們發(fā)展出了激光干涉儀為原理的探測器。代表就是美國的LIGO和歐洲的VIRGO,。


基本原理是,，把引力波掃過導(dǎo)致的長度變化，轉(zhuǎn)變?yōu)榧す飧缮娼Y(jié)果的光強(qiáng)變化,?！案缮妗睅缀跏蔷軠y量的“作弊器”，不用什么別的工具,，我們能通過手機(jī)貼膜貼合不均勻處的干涉條紋,，直觀看出貼合間距的微小變化。LIGO也能通過測量兩束相干紅外激光的干涉光強(qiáng),，判斷激光臂長的極微弱變化,。

同樣的原理，放到天上,，能得到更長的臂長：長達(dá)數(shù)萬公里,。這樣引力波導(dǎo)致的變化將更加明顯。所以美歐提出了LISA計劃,，中國也提出了天琴計劃,，都是打算發(fā)射空間衛(wèi)星，組成干涉儀網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行長距離的干涉測量,。

更長的臂長——就只能靠天上本來就有的東西了：脈沖星,、微波背景輻射。脈沖星的周期會受到經(jīng)過的引力波的擾動,，而微波背景輻射里,，據(jù)信留有宇宙大爆炸時原初背景輻射的印跡。它們也可以用于示蹤引力波,。

波速不變的話,，波長與頻率成反比。臂長越長,，對越長的波長更敏感,，也就是對更低的頻率更敏感。所以LIGO,、LISA,、脈沖星、微波背景輻射,，它們分別示蹤一系列不同頻率的引力波信號,，彼此互為補(bǔ)充，不能相互替代,。

其中,，LIGO這種幾公里基線的激光干涉儀，對頻率~100的信號最敏感——這正是雙黑洞,、雙中子星等雙致密天體并合前的一瞬發(fā)出的引力波的頻率,。我們前面說過，這種雙星并合事件的引力波最有獨特特征,，最容易識別,，因此不難理解，是LIGO搶先探測到了引力波,。

而LISA,、天琴就要低頻一些了，它們對頻率為~10^-2到~10^-4的信號最敏感,。因此它們更適合尋找銀河系中相對慢速繞轉(zhuǎn)的雙致密星,，以及因身材龐大而轉(zhuǎn)不快的超大質(zhì)量雙黑洞。

脈沖星適合探測頻率~10^-8的引力波,，宇宙微波背景輻射更是只能探測~10^-16次方這樣極端低頻的引力波,。以上所有這些，就像是工作在不同的電磁波段一樣,，共同描繪出完整的引力波的多彩世界,。


2,、LIGO的黑科技

就算LIGO的臂長對應(yīng)的引力波頻率跟雙黑洞并合剛好一致，就算干涉原理吊炸天,，憑什么LIGO可以測得出千分之一個質(zhì)子半徑的細(xì)微變化,？

大陸板塊在移動。大海在拍擊著全球的洋底,。大氣呼號著,。整個北美大陸的汽車轟鳴著。螞蟻軍團(tuán)就在隔壁掀起了一場滅國之戰(zhàn),。想要把所有這些噪聲隔離開,，專心傾聽來自十幾億光年外、振幅為千分之一質(zhì)子半徑的波動,？

太平洋上臺風(fēng)肆虐,，我在上海的岸邊扔了一粒石子，請你在加州海灘上測出它的漣漪,。

1）隔離震動

發(fā)布會上,，Weiss演示了LIGO隔絕震動的基本原理：當(dāng)你高頻搖動一個擺的繩端，擺并不會跟你一起搖動,，反而會維持穩(wěn)定,。

當(dāng)你把這招用到極致,，就是這樣：

左圖是升級改造前的LIGO：反射鏡僅有25厘米直徑,，用兩根鋼絲吊起。而右圖中,，升級改造后的Advanced-LIGO,，使用了遠(yuǎn)為復(fù)雜的機(jī)構(gòu)，和更大,、更重的反射鏡,，來最小化反射鏡本身的晃動。

而這個東西,，是吊在這里面的：
震動隔離平臺,。主動減震。


2,、干涉
我想你已經(jīng)知道了什么是干涉——如果不知道的話,，看下圖：

兩束光，峰谷對應(yīng),，得到的光峰谷分別加強(qiáng),，總光強(qiáng)更強(qiáng)；峰谷錯位相消,，則最后什么光都沒有剩下,。

這樣,，光強(qiáng)極為靈敏的顯示了兩束光的峰谷之間的細(xì)微差距。

3,、功率倍增器
激光越強(qiáng),，干涉產(chǎn)生的圖樣越清晰易測量。為了保證效果,，LIGO需要750千瓦的激光功率——但LIGO激光功率其實只有200瓦——為將此功率倍增,，LIGO讓入射的激光首先在很多鏡面之間來回反射，并將反射后強(qiáng)度疊加后的光原路輸回原光路,，形成所謂“能量循環(huán)”,，滿足了LIGO的功率要求。

4,、鏡子
純二氧化硅打造,，每300萬個光子入射，只有1個會被吸收,。一個字,，亮。


5,、真空
LIGO的激光臂全部在真空腔內(nèi),，其真空腔體積在地球上僅次于LHC（歐洲的大型強(qiáng)子對撞機(jī)），氣壓僅為萬億分之一個大氣壓,。

6,、反射
有如上所述的強(qiáng)激光、超潔凈的鏡片和真空環(huán)境,，LIGO才能無所畏懼的讓激光在4 km臂中反射了400次再進(jìn)行干涉——這極大的增加了LIGO的有效臂長,，讓它能以1600 km的臂長，探測更低頻的信號,，并且得到更顯著的測量結(jié)果,。

發(fā)布會上，美國人表示“LIGO是世界上最精密的測量儀器”,，誠哉,。

專欄讀者Q群：178379983。作者微博：“天文八卦學(xué)家劉博洋”,。