五花八门的引力波探测器中，为什么是LIGO笑到了最后？

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北京时间2月11日晚11点30分，美国国家科学基金会就探测引力波的研究进展进行报告。LIGO科学合作组织面向全社会宣布，LIGO首次直接探测到引力波和首次观测到双黑洞碰撞与并合，科学家直接探测到了引力波！而在五花八门的引力波探测器中，为什么是LIGO笑到了最后？

引力波探测器的分类

爱因斯坦同志1916年就提出引力波这茬了，到六十年代左右，就有人开始琢磨怎么探测引力波。最早的引力波探测器长这样：

一个大铝筒。基本原理是，如果引力波的频率跟铝筒的共振频率一致，会引起它的显著收缩-拉伸。旁边的人叫Joe Weber，公认的引力波探索先驱。他曾在1969年宣布，用这台机器测到了引力波。

但是同行重复他的实验，没有一个能重现这一结果的。所以大家认为他搞错了。

这次测到的引力波的振幅是10^-21。很明显，用越大的数字去乘这个10^-21，会得到一个越大的结果。这个铝筒这么小，显然得不到什么结果。要知道LIGO的臂长就有4 km，内部更是让光路反射了400次，激光光路长度达到1600km，这么大的数去乘那个10^-21，才勉强得到一个大约跟质子半径一个量级的变化。所以这种几十年前的棒状引力波探测器，显然不可能有什么结果。

后来人们发展出了激光干涉仪为原理的探测器。代表就是美国的LIGO和欧洲的VIRGO。

其基本原理是，把引力波扫过导致的长度变化，转变为激光干涉结果的光强变化。“干涉”几乎是精密测量的“作弊器”，不用什么别的工具，我们能通过手机贴膜贴合不均匀处的干涉条纹，直观看出贴合间距的微小变化。LIGO也能通过测量两束相干红外激光的干涉光强，判断激光臂长的极微弱变化。

同样的原理，放到天上，能得到更长的臂长：长达数万公里。这样引力波导致的变化将更加明显。所以美欧提出了LISA计划，中国也提出了天琴计划，都是打算发射空间卫星，组成干涉仪网络，进行长距离的干涉测量。

更长的臂长——就只能靠天上本来就有的东西了：脉冲星、微波背景辐射。脉冲星的周期会受到经过的引力波的扰动，而微波背景辐射里，据信留有宇宙大爆炸时原初背景辐射的印迹。它们也可以用于示踪引力波。

波速不变的话，波长与频率成反比。臂长越长，对越长的波长更敏感，也就是对更低的频率更敏感。所以LIGO、LISA、脉冲星、微波背景辐射，它们分别示踪一系列不同频率的引力波信号，彼此互为补充，不能相互替代。

其中，LIGO这种几公里基线的激光干涉仪，对频率~100的信号最敏感——这正是双黑洞、双中子星等双致密天体并合前的一瞬发出的引力波的频率。我们前面说过，这种双星并合事件的引力波最有独特特征，最容易识别，因此不难理解，是LIGO抢先探测到了引力波。

而LISA、天琴就要低频一些了，它们对频率为~10^-2到~10^-4的信号最敏感。因此它们更适合寻找银河系中相对慢速绕转的双致密星，以及因身材庞大而转不快的超大质量双黑洞。

脉冲星适合探测频率~10^-8的引力波，宇宙微波背景辐射更是只能探测~10^-16次方这样极端低频的引力波。以上所有这些，就像是工作在不同的电磁波段一样，共同描绘出完整的引力波的多彩世界。

LIGO的黑科技

就算LIGO的臂长对应的引力波频率跟双黑洞并合刚好一致，就算干涉原理吊炸天，凭什么LIGO可以测得出千分之一个质子半径的细微变化？

大陆板块在移动。大海在拍击着全球的洋底。大气呼号着。整个北美大陆的汽车轰鸣着。蚂蚁军团就在隔壁掀起了一场灭国之战。想要把所有这些噪声隔离开，专心倾听来自十几亿光年外、振幅为千分之一质子半径的波动？

太平洋上台风肆虐，我在上海的岸边扔了一粒石子，请你在加州海滩上测出它的涟漪。

1

隔离震动

发布会上，Weiss演示了LIGO隔绝震动的基本原理：当你高频摇动一个摆的绳端，摆并不会跟你一起摇动，反而会维持稳定。

当你把这招用到极致，就是这样：

左图是升级改造前的LIGO：反射镜仅有25厘米直径，用两根钢丝吊起。而右图中，升级改造后的Advanced-LIGO，使用了远为复杂的机构，和更大、更重的反射镜，来最小化反射镜本身的晃动。

而这个东西，是吊在这里面的：

震动隔离平台。主动减震。

2

干涉

我想你已经知道了什么是干涉——如果不知道的话，看下图：

两束光，峰谷对应，得到的光峰谷分别加强，总光强更强；峰谷错位相消，则最后什么光都没有剩下。

这样，光强极为灵敏的显示了两束光的峰谷之间的细微差距。

3

功率倍增器

激光越强，干涉产生的图样越清晰易测量。为了保证效果，LIGO需要750千瓦的激光功率——但LIGO激光功率其实只有200瓦——为将此功率倍增，LIGO让入射的激光首先在很多镜面之间来回反射，并将反射后强度叠加后的光原路输回原光路，形成所谓“能量循环”，满足了LIGO的功率要求。

4

镜子

纯二氧化硅打造，每300万个光子入射，只有1个会被吸收。一个字，亮。

5

真空

LIGO的激光臂全部在真空腔内，其真空腔体积在地球上仅次于LHC（欧洲的大型强子对撞机），气压仅为万亿分之一个大气压。

6

反射

有如上所述的强激光、超洁净的镜片和真空环境，LIGO才能无所畏惧的让激光在4 km臂中反射了400次再进行干涉——这极大的增加了LIGO的有效臂长，让它能以1600 km的臂长，探测更低频的信号，并且得到更显著的测量结果。

发布会上，美国人表示“LIGO是世界上最精密的测量仪器”，诚哉。

（编辑、排版：Sol_阳阳）

文章图片均由作者本人提供。文章首发自作者本人微信公众号：天文八卦学。

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