引力波探测

引力波通过测量其在巨型激光干涉仪垂直臂相对长度上引起的微小变化来探测，LIGO于2015年首次实现了这一壮举。

Definition

引力波探测是通过激光干涉测量技术，在地面上利用千米级基线、规划中的空间干涉仪以及在极低频率下利用毫秒脉冲星计时阵列，测量通过的引力波引起的应变（即距离的分数变化）。

Scope

本主题涵盖干涉探测原理、L形干涉仪对波应变的响应、主要噪声源（地震噪声、热噪声和量子散粒噪声）及其抑制技术、全球探测器网络（LIGO、Virgo、KAGRA）以及规划中的空间和脉冲星计时观测站，以及用于从噪声中提取信号的匹配滤波数据分析。

Core questions

• 激光干涉仪如何将时空应变转换为可测量的信号？
• 哪些噪声源限制了灵敏度，以及如何克服它们？
• 如何在探测器噪声中识别微弱信号？

Key concepts

• 激光干涉仪
• 应变灵敏度
• 地震噪声和热噪声
• 量子散粒噪声
• 探测器网络和三角测量
• 匹配滤波

Key theories

干涉应变测量

通过的引力波会使干涉仪两条垂直臂的长度发生相反的变化，从而改变复合激光的干涉模式，因此测得的相移直接反映了引力波应变。

匹配滤波探测

由于预期的波形可以提前计算，通过将数据与理论模板库进行关联，可以从远低于噪声水平的信号中提取信息，这项技术证实了首次黑洞并合事件。

Clinical relevance

探测技术决定了引力波天文学能够观测到的范围：地面干涉仪覆盖恒星质量并合的音频波段，规划中的空间任务将探测大质量黑洞双星的更低频率，而脉冲星计时阵列则探测超大质量黑洞对产生的纳赫兹波，共同覆盖了引力波谱。

History

约瑟夫·韦伯在20世纪60年代进行的共振棒尝试推动了该领域的发展；韦斯在20世纪70年代初构想了干涉测量方法，经过数十年的发展，LIGO于2015年9月首次直接探测到引力波，这一成就使韦斯、索恩和巴里什于2017年获得了诺贝尔奖。

Key figures

• Rainer Weiss
• Kip Thorne
• Barry Barish
• Ronald Drever

Seminal works

• abbott2016
• saulson1994

Frequently asked questions

探测器如何测量比原子核还小的长度变化？

通过使用千米长的臂、高功率的稳定激光器（反射数千次）以及与地震和热扰动的极端隔离，干涉仪能够感知引力波产生的约10^-18米量级的差分臂长变化。

为什么需要多个探测器而不是一个？

探测器网络可以确认信号是天体物理源而非局部噪声，并且通过比较不同地点之间的到达时间，可以确定源在天空中的位置，这对于指向望远镜进行多信使后续观测至关重要。