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激光干涉引力波天文台

Wikipedia · 2025-12-05 维基百科 👁 1 阅读

激光干涉引力波天文台（，缩写：）是探测引力波的一个大规模物理实验和天文观测台，其在美國華盛頓州的汉福德與路易斯安那州的利文斯頓，分別建有激光干涉儀。利用兩個幾乎完全相同的干涉儀共同進行篩檢，可以大幅度減少誤判假引力波的可能性。干涉儀的靈敏度極高，即使臂長為4千米的干涉臂的長度發生任何變化小至質子的電荷直徑的萬分之一，都能夠被精確地察覺。

LIGO是由美国国家科学基金会（NSF）资助，由加州理工学院與麻省理工学院的物理学者基普·索恩、朗納·德瑞福與莱纳·魏斯領導創建的一个科學项目，兩個學院共同管理與營運LIGO的日常操作。在2002年至2010年之間，LIGO進行了多次探測實驗，蒐集到大量數據，但並未探測到引力波。為了提升探測器的靈敏度，LIGO於2010年停止運作，進行大幅度改良工程。2015年，LIGO重新正式探测引力波。因為「對LIGO探測器及重力波探測的決定性貢獻」，索恩、魏斯和LIGO主任巴里·巴里什榮獲2017年諾貝爾物理學獎。

歷史
分別為N36°W與W36°S。]]
分別為W28°S與S18°E。

俄國物理學者與最早於1962年發表論文提議建造干涉探測器來探測引力波，但是此構想並未獲得重視。四年後，於再度提出此構想，然而仍舊無疾而終。後來，與莱纳·魏斯也分別曾經獨立發表出類似構想。韋伯的學生在工作時，受到莱纳·魏斯的鼓勵，決定使用休斯研究實驗室的經費來製造一台干涉儀。1971年，弗爾沃德首先建成臂長8.5m的雛型引力波干涉儀，經過150小時的探測以後，弗爾沃德報告，並未探測到引力波。

70年代，魏斯團隊在麻省理工學院、團隊在德國加興的马克斯·普朗克研究所、朗納·德瑞福團隊在格拉斯哥大學，分別建成並且投入运行雛型引力波干涉儀。同時期，基普·索恩在加州理工學院組成了引力波實驗團隊。1979年，他特別從格拉斯哥大學聘請德瑞福來領導這團隊，並且建造引力波干涉儀。1983年，建成一台40m臂長的引力波干涉儀。在麻省理工學院的魏斯團隊，由於實驗經費較為缺乏，只能建成一台1.5m臂長的引力波干涉儀。兩個團隊激烈地兢爭，試圖計畫與製造更靈敏、更先進的引力波干涉儀。1984年，為了更有效率地運用有限資源，加州理工學院與麻省理工學院同意联合設計與建造激光干涉引力波天文台（LIGO），並且由基普·索恩、朗納·德瑞福 與莱纳·魏斯共同主持這計畫。

1990年，美國國家基金會批准了LIGO計畫。隔年，美國國會開始撥款給LIGO計畫。翌年，選定在路易斯安那州的利文斯頓與在华盛顿州的汉福德分別建造相同的探測器，彼此相距3000公里。這是為了要利用互相关特性來過濾信息，只有两个探测器同时检测到的信息才有可能是引力波的信号。1994年，加州理工學院教授巴里·巴里什被委派為LIGO主任。他建議，LIGO應該設計為一台可以持續演進的探測器，任何零件都可以很容易的進行改良。在他的領導下，開始建造LIGO， 1999年完工。2002年正式進行第一次探測引力波，2010年結束蒐集數據。在這段時間內，並未探測到引力波，但是累積了很多寶貴的實際運作經驗，探測器的靈敏度也越加提升。到2015年9月中旬，“世界上最大的引力波设施”已完成了費時5年，耗資2亿美元的检修，总成本达到6.2亿美元，成為有史以来由NSF资助的最大规模、最雄心勃勃的项目。在2015年9月18日，再次开啟正式观测。這時，先进LIGO的靈敏度已是初始LIGO的约四倍左右，它的灵敏度将进一步提升，直至2021年左右达到设计的灵敏度。

2016年2月11日，LIGO科學團隊與室女座干涉儀團隊宣布，人類於2015年9月14日首次直接探測到重力波。所探測到的重力波源自於雙黑洞併合。兩個黑洞分別估計為29及36倍太陽質量。同年6月15日，兩個團隊又共同發佈聲明表示，第二次直接探测到引力波，其發生於2015年12月26日。從分析相關探測信號，學者認為，該事件是由兩個質量分別為14.2 (+8.3, −3.7) M⊙ 與 7.8 (+2.3, −2.3) M⊙的黑洞併合所造成，其發生地點離地球有14億光年之遠。利文斯頓探測器先探測到引力波，1.1 msec之後，汉福德也探測到引力波。在1秒鐘的探測期內，信號頻率從35 Hz升高至450 Hz。這併合事件被命名為「GW151226」。這探測結果更加證實了廣義相對論。

任務
從最初始，NSF就已准許LIGO從事直接探測源自於宇宙的引力波，並且開啟引力波天文學這門新興學術領域。LIGO 實驗室的任務為：
*探測引力波源。
*操作LIGO設施，提供相關服務給國內與國際科學團隊。
*發展先進探測器所需的基礎科學與技術來達到與開拓干涉儀的功能極限。
*援助關於引力波天文學的科學教育，積極策劃與鼓勵大眾參與相關活動。
*成功完成先進LIGO計畫。

LIGO的演化
從最早的計畫開始，LIGO就不曾被預定為一個單一實驗，而是一個不斷進步、精益求精的天文台，其涉及到多世代愈加靈敏的引力波探測器的發展與運作。

經過5年努力，在此期間各種儀器的靈敏度被改善了幾個數量級，於2005年，初始LIGO終於達到設計靈敏度。
*為了增加探測器的靈敏度，增進LIGO 提升了激光器的功率，將激光器的功率從10瓦特提升至35瓦特。
*為了減少散粒噪聲，引力波所造成的響應的讀取方式，從「射頻讀取」被改變為「直接轉換讀取」。
*為了防止高階橫模態光波入射至光探測器，在輸出口之前，裝置了輸出模態清除器。

由於對於初始LIGO的改良，增進LIGO 在最靈敏頻率的靈敏度實際提升了約30%。增進LIGO 於2009年7月至2010年10月進行了第六次科學運行（sixth scientific run, S6），從分析獲得的數據，雖然沒有找到引力波的信號，但仍舊推論出一些有意思的天文物理學結果。

先进LIGO
2010年，在增進LIGO結束S6 運作之後，它所使用的第一代干涉儀被完全拆除，這是為了要清空位置來安裝先進LIGO的第二代干涉儀。按照設計規格，先進LIGO的靈敏度將比初始LIGO高出10倍，這意味著先進LIGO找尋引力波的探測半徑會比先前高出10倍，探測範圍也會擴大1000倍以上，能夠探測到的引力波波源比先前要多出1000倍，並且，探測頻帶下限更寬闊地從40Hz降低到10Hz。具備有這樣高靈敏度的先進LIGO，專家預測，每年應該可以探測到十幾個緻密雙星併合事件。但為了要達到設計靈敏度，代價不菲，干涉儀的幾乎每一個組件都必須被更換，新安裝的組件則是經過嚴格測試證實功能更為優良的高端科技產品。在低頻區，頂級的震波隔離技術與測試質量懸掛技術貢獻出高靈敏度；在中頻區與高頻區，更高的激光器功率、更大尺寸與更大質量的測試質量、改良的鏡子塗層是導致高靈敏度的關鍵因素。

2015年9月，經過5年的重新設計與重新建造的工作，耗費2億美金，第一次觀測運行（first observation run, O1）正式開始。這一次，實驗範籌已大幅度改變，很多天文學術界團隊都參與共襄盛舉，先進LIGO可以通知全世界74座觀測天文台中的任何幾座觀測天文台，只需片刻，它們就可以將望遠鏡對準天空，尋找可能引力波源所發射出的光信號。雖然尚未達到設計標準靈敏度，先進LIGO的靈敏度已改善為初始LIGO的3倍。這意味著先進LIGO能夠探測到3倍遠的距離，探測容積為初始LIGO的27倍。在探測器最靈敏的100 - 300 Hz頻帶，O1的應變燥聲比S6 低3 至4倍，在50 Hz頻率，應變燥聲的改善接近100倍。O2期間，又觀測到三次引力波事件GW170104、GW170814與GW170817。特別值得一提的是，GW170817是兩個中子星併合所產生的引力波事件，由於引力波與電磁波首次同時被觀測到，這標誌著多信使天文學的新紀元已經到臨。

未來，將會完成更多觀測實驗，之間，也會進行多次升級工程，目標是在2021年達到設計靈敏度。

未来
「LIGO-印度」是倡议中的LIGO实验室和（INDIGO）之间拟议的合作项目，旨在印度打造世界级的引力波探测器。

2024年将升级到Advanced LIGO Plus ，简称 ALIGO+，扩大探测范围。

參見
*爱因斯坦望远镜- 欧洲第三代引力波探测器。
*Einstein@Home - 可以下载的分布式志愿者计算程序可以帮助LIGO/GEO团队分析数据。
*广义相对论的实验验证
*引力波天文学

  • - 位于德国汉诺威的一个引力波探测器。

*室女座干涉仪 - 靠近意大利比萨，一个类似于LIGO的干涉仪。

註釋
參考文獻
外部連結

#阿斯图里亚斯亲王奖获得者 #阿尔伯特·爱因斯坦奖章获得者 #引力波望远镜 #格鲁伯宇宙学奖获得者 #干涉仪 #引力波探测器

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