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《中国科学: 物理学 力学 天文学》出版激光干涉引力波探测专题

已有 2319 次阅读 2016-12-23 10:54 |系统分类:论文交流

       引力波是广义相对论最重要的预言. 引力波不被屏蔽, 具有极强的穿透性, 它可带来借助其他方法无法得到的, 关于黑洞、致密星、星系核等的大量信息; 它把对宇宙的观测推向暴涨阶段; 它是在极高精度范围内检验广义相对论的探针. 它还将在揭示引力场量子行为中起到不可或缺的重要作用.

       爱因斯坦在建立广义相对论后, 很快就于1916年提出了引力波的概念. 然而, 就连爱因斯坦本人也曾怀疑引力波能否被人类探测到. 在经历了40多年的争论后才确认, 引力波能够脱离源、携带能量在真空中传播, 从而开启了引力波探测的大幕.

       引力波因其产生过程不同具有非常宽广的频谱. 对于不同波段的引力波, 探测方法截然不同. 直接探测引力波的探测器主要分为谐振型和干涉型两大类. 前者依靠引力波与天线的本征频率共振达到较高灵敏度, 韦伯棒就是这类天线的佼佼者, 虽然这类探测器的灵敏度能够达到10–20–10–22, 但终因其工作频率只限于本征频率附近的一个很窄的频率范围内, 故被淘汰. 后者通过测量经过不同路径的测试粒子(光子或原子)是否存在由引力波引起的额外相位差, 达到探测引力波的目的. 目前在建、升级或运行中的大型引力波探测器都属这一类. 美国的两台升级版的LIGO、法国和意大利合建的升级版的Virgo、日本在地下建的KaGra等千米级探测器是它们的典型代表. 计划中的空间项目也是采用干涉方法, 只是干涉的方式有所不同. 除此之外, 还可通过监测宇宙飞船发回的光脉冲频率的变化以及监测脉冲星的脉冲周期来探测引力波, 利用微波背景中的BB模探测原初引力波, 利用引力波与电磁场的相互作用探测甚高频引力波等.

       经历了整整一个世纪前赴后继的努力, 今年, LIGO科学合作组和Virgo合作组联合宣布, 在2015年9月11日到2016年1月19日两台升级版的LIGO探测器的第一次运行(O1)中探测到两个引力波信号(GW150914和GW151226)和一个疑似信号(LVT151012), 证实了广义相对论有关引力波的预言.

       20世纪70年代中至90年代初, 我国参与了引力波探测的实验研究, 在利用激光干涉仪探测引力波方面也已起步, 但囿于国家经济实力等因素而最终下马. 自那以后, 也曾有人提出过不同方案, 建议在国内建设陆基激光干涉引力波探测器, 但都因缺乏独到的物理思想、前期积累不足、耗资巨大, 未能立项. 利用微波望远镜监测脉冲星周期、利用原子干涉仪等探测引力波方案也因各种原因而未能实现. 到目前为止, 中国学者仍在为探测引力波而努力争取着.

       2015年4, 5月间, 中国科学院卡弗里理论物理研究所主办了为期五周的“引力波天文学下一代探测器”的国际学术研讨会. 会后组织了4篇综述文章, 发表在Science China: Physics, Mechanics & Astronomy第58卷第12期上[1−5]. 2个月后, LIGO就宣布探测到两黑洞并合的引力波信号.

       借着LIGO直接探测到引力波之势, 我们邀请了几位引力波探测理论与实验研究专家、数据分析专家, 从重要的引力波瞬源——双黑洞系统的形成与演化机制[6]、地面激光干涉仪探测引力波的基本原理[7]、空间引力波探测计划[8]、引力波信号的提取[9]、引力波观测中的数据处理[10]以及地面探测器联网定位引力波源的方法[11]方面对用激光干涉仪探测引力波的相关问题做一简明的介绍, 供对引力波感兴趣的学者了解其中一些细节, 也为投身引力波探测研究的学生们提供一个入门的抓手.

       感谢几位作者在百忙中抽出时间为此专题撰文, 也感谢编辑部郭媛媛老师的大力推动与不懈努力.


参考文献
  • 1 Blair D, Ju L, Zhu Z H.. Editorial. Sci China-Phys Mech Astron, 2015, 58: 120401 CrossRef ADS

    2 Blair D, Ju L, Zhao C N, et al. Gravitational wave astronomy: The current status. Sci China-Phys Mech Astron, 2015, 58: 120402 CrossRef ADS

  • 3 Lee H M, Le Bigot E O, Du Z H, et al. Gravitational wave astrophysics, data analysis and multimessenger astronomy. Sci China-Phys Mech Astron, 2015, 58: 120403 CrossRef ADS

  • 4 Mitrofanov V P, Chao S, Pan H W, et al. Technology for the next gravitational wave detectors. Sci China-Phys Mech Astron, 2015, 58: 120404 CrossRef ADS

  • 5 Blair D, Ju L, Zhao C N, et al. The next detectors for gravitational wave astronomy. Sci China-Phys Mech Astron, 2015, 58: 120405 CrossRef ADS

  • 6 Yuan Y F. Black hole binaries in the universe (in Chinese). Sci Sin-Phys Mech Astron, 2017, 47: 010402 [袁业飞. 宇宙中的双黑洞. 中国科学: 物理学 力学 天文学, 2017, 47: 010402]. CrossRef

  • 7 Li Y G, Zhang X L, Li Y M. Progress of the optical techniques for laser interferometer gravitational wave detector (in Chinese). Sci Sin-Phys Mech Astron, 2017, 47: 010403 [李永贵, 张晓莉, 李英民. 激光干涉仪引力波探测器中的光学技术进展. 中国科学: 物理学 力学 天文学, 2017, 47: 010403]. CrossRef

  • 8 Huang S L, Gong X F, Xu P, et al. Gravitational wave detection in space — a new window in astronomy (in Chinese). Sci Sin-Phys Mech Astron, 2017, 47: 010404 [黄双林, 龚雪飞, 徐鹏, 等. 空间引力波探测 ——天文学的一个新窗口. 中国科学: 物理学 力学 天文学, 2017, 47: 010404]. CrossRef

  • 9 Cao Z J, Du Z H. Numerical relativity and gravitational wave astronomy (in Chinese). Sci Sin-Phys Mech Astron, 2017, 47: 010405 [曹周键, 都志辉. 数值相对论与引力波天文学. 中国科学: 物理学 力学 天文学, 2017, 47: 010405]. CrossRef

  • 10 Du Z H, Wen L Q. GPU accelerated low latency gravitational wave data processing (in Chinese). Sci Sin-Phys Mech Astron, 2017, 47: 010406 [都志辉, 温琳清. GPU支持的低延迟引力波数据处理. 中国科学: 物理学力学天文学, 2017, 47: 010406]. CrossRef

  • 11 Cai Y Z, Li X L, Li M Z, et al. The localization ability of the network of gravitational wave detectors (in Chinese). Sci Sin-Phys Mech Astron, 2017, 47: 010407 [蔡永志, 李小龙, 李木子, 等. 引力波探测器联网的定位能力. 中国科学: 物理学 力学 天文学, 2017, 47: 010407]. CrossRef




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1 蒋敏强

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