LIGO的激光可以看到引力波,其工作原理是什么?
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发布时间：2022-10-21 01:24
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时间：2023-01-25 03:55
我们实现这一梦想的方式是通过美国激光干涉引力波天文台(LIGO)、欧洲“ *座 ”(Virgo) 引力波探测器 和日本神冈 引力波探测器 (KAGRA)共享的卓越设计：
当足够强的引力波以恰当的频率通过时，臂会交替伸缩，从而改变干涉图样。但是光不会膨胀和收缩吗？令人惊讶的答案是"不"，以下就是原因。
上图显示了迈克尔逊干涉仪的原理。1881年，阿尔伯特·迈克尔逊（Albert Michelson）试图探测以太，以太被认为是光波传播的媒介。在狭义相对论发现之前，假定所有波都需要一种介质来传播，例如水波或声波。
迈克尔逊（Michelson）构造了这样的干涉仪，其原理是地球以大约30 km / s的速度在围绕太阳的太空中行进。由于光速为300,000 km / s，他预测他会看到干涉仪产生的干涉图样，该干涉图样取决于设备相对于地球运动所对准的角度。
只是，迈克尔逊以比预期的效果好得多的精度进行了实验：大约好40倍。 但是迈克尔逊一无所获，这表明以太不存在，至少不是物理学家思考它的方式。迈克尔逊（Michelson）于1907年被授予诺贝尔物理学奖，这可以说是唯一 一次为实验性“零结果”颁奖的奖项。
这提供了证据，光速对所有观察者都是相同的，而与沿光传播方向相对，垂直，相对于或垂直于光传播方向的任何其他运动无关。只要在一个特定方向上创建了干涉图样 ，无论您如何定向探测器，它都应保持不变。
但是，相对于另一条臂延长或缩短一条臂，将会改变路径长度，从而改变我们看到的干涉图样。如果将远端的反射镜移动到离近端更近或更远的位置，则该波产生的峰谷-峰谷-峰谷模式将有微小变化。但是，如果在臂长恒定的情况下保持设备稳定，则该模式根本不会改变。
首先，为了建立引力波实验，这些条件需要满足。必须正确配置和校准探测器，考虑来自所有来源的干扰，并将灵敏度降低到可以检测出引力波会引起的微小臂长变化的点。经过几十年的努力，LIGO 是第一个达到干扰阈值的引力波探测器，该干扰阈值可以产生物理的、可观测的效果。
你应该听说过光是电磁波。光由相中、振荡、相互垂直的电场和磁场组成，这些场能与附近电磁耦合的任何物质相互作用。
同样，还有一个引力模拟：引力波。这些波纹以与光（c） 相同的速度在太空中移动，但不会产生与粒子相互作用而产生的可检测特征。相反，它们交替拉伸和压缩它们，且以相互垂直方向穿过的空间。当引力波穿过一个空间区域时，任何空间体积在一个维度上经历膨胀，并伴有垂直方向的罕见压缩。然后，波以频率和振幅振荡，就像任何其他波一样。
这就是为什么我们的引力波探测器构造成具有垂直臂的原因：因此，当波通过它们时，两个不同的臂将受到不同的影响。 当引力波通过时，一只臂压缩而另一只臂膨胀，然后反之亦然。
考虑到地球的曲率，LIGO，Virgo和KAGRA探测器彼此成角度。它们全部同时工作时，无论入射波的方向如何，多个探测器将对引力波信号敏感。只要电波本身通过探测器（并且没有已知的方法可以使自己免受引力波的干扰），它就应该以可检测的方式影响臂的路径长度。
但这就是难题所在：如果空间本身是正在膨胀或压缩的东西，那么穿过探测器的光线是否也应该在膨胀或压缩吗？ 如果是这样的话，光线是否不应该像不存在引力波的情况那样，以相同值的波长通过探测器？
这是一个真正的问题。 光是波，定义任何单个光子的是它的频率，它又定义了它的波长（在真空中）和能量。 光线随着其占据的空间伸展（对于红色）或收缩（对于蓝色）而发生红移或蓝移，但是，一旦波完成通过，光将恢复到其原始状态时的波长。
似乎光应该产生相同的干涉图样，而与引力波无关。
引力波探测器的工作不仅有效，而且还确定了黑洞与黑洞合并的显着特征，使我们能够重建合并前和合并后的质量、距离、在天空中的位置以及许多其他属性。
理解这一点的关键是忘记波长并专注于时间。是的，波长实际上取决于引力波通过时空间的变化。这些红移和蓝移是真实的，但不变的是真空中的光速，始终为299,792,458 米 / 秒。如果压缩一只臂，光的传播时间会缩短；如果将其展开，则光旅行时间会延长。
并且，随着相对到达时间的变化，我们可以看到在真实引力波事件期间，（重构的）干涉图样如何随时间移动的振荡图样。
当在每个激光脉冲开始时，分开的两个垂直光束在探测器中重新组合时，它们会形成我们观察到的临界干涉图。 如果在任何一点上臂长都有差异，那么这些光束的传播时间将有所不同，因此干涉图案将发生偏移。
这就是为什么我们使用光束而不是单个光子的原因。 如果同时发射一对光子并沿垂直臂向下传播，则看到最短累积路径长度的光子将首先到达：在其伙伴光子之前，将看到更长的累积路径长度。
但是波是连续的光源。 即使到达时间相差仅10^(-27)秒，也足以导致最初调谐以使干涉图消失的两个波，以明显的振荡失配出现，从而产生临界信号。
您可能仍然担心光的红移和蓝移效应，以下两个原因可以忽略它们：
这是所有这些中的关键，重要的一点：红光（长波长）和蓝光（短波长）都需要花费相同的时间才能穿越相同的距离。
事实是，当引力波通过探测器时，它会改变两个相互垂直的臂的相对路径长度。路径长度的变化会改变每个光量子的所需光传播时间，从而导致到达时间不同，并导致所产生的干涉图样发生偏移。由于两个手臂的长度一起变化，因此我们可以使用该信息来重构在远处产生的引力波的特性。
理解其工作原理的关键因素是一束光束在设备中的停留时间略长，因此，当光束到达检测器时，它与对应的光束略有异相。这种微小的时间偏移是由于LIGO（以及Virgo和KAGRA）的臂压缩了质子宽度的0.01％而引起，在当前的Run III中，目前已被用于寻找许多新的合并事件。引力波现在是一门生机勃勃的观测科学，现在您已经了解引力波探测器工作原理！
