引力波望遠(yuǎn)鏡利弊

LIGO 使用的干涉儀是邁克耳孫干涉儀，其應(yīng)用激光光束來(lái)測(cè)量?jī)蓷l相互垂直的干涉臂的長(zhǎng)度差變化。在通常情況下，不同長(zhǎng)度的干涉臂會(huì)對(duì)同樣的引力波產(chǎn)生不同的響應(yīng)，因此干涉儀很適于探測(cè)引力波。在每一種干涉儀里，通過(guò)激光光束來(lái)量度引力波所導(dǎo)致的變化，可以用數(shù)學(xué)公式來(lái)描述；換句話說(shuō)，假設(shè)從激光器發(fā)射出的光束，在傳播距離L之后，被反射鏡反射回原點(diǎn)，其來(lái)回過(guò)程中若受到引力波影響，則行程所用時(shí)間將發(fā)生改變，這種時(shí)間變化可以用數(shù)學(xué)公式來(lái)坐定量描述。

更仔細(xì)地描述，假設(shè)一束引力波是振幅為h的平面波，其傳播方向與激光器的光束傳播方向的夾角為

伯納德·舒爾茨把這一公式稱作“三項(xiàng)公式”，其為分析所有干涉儀對(duì)信號(hào)響應(yīng)的出發(fā)點(diǎn)。單徑系統(tǒng)也可以使用三項(xiàng)公式 ，但其靈敏度是被時(shí)鐘的穩(wěn)定性所限制。干涉儀的兩條干涉臂可以相互用來(lái)當(dāng)做時(shí)鐘比較，因此，干涉儀是非常靈敏的光束探射器。

假設(shè)干涉臂長(zhǎng)超小于引力波的波長(zhǎng)，則干涉臂與引力波相互作用的關(guān)系可近似為

假設(shè)引力波傳播方向垂直于光束傳播方向，即兩者之間的夾角為{\displaystyle heta =\pi /2}，則三項(xiàng)公式變?yōu)?

注意到這導(dǎo)數(shù)只跟返回時(shí)的引力波振幅

因此，只要能夠量度返回電磁波的紅移，則可估算引力波振幅的改變。假設(shè)干涉臂長(zhǎng)超小于引力波的波長(zhǎng)，則干涉臂與引力波相互作用的近似關(guān)系式為

引力波對(duì)于干涉儀所產(chǎn)生的響應(yīng)是這兩個(gè)關(guān)系式的差值：

LIGO的長(zhǎng)度為4千米的干涉臂由振幅為10的引力波所引起的長(zhǎng)度變化為：

引力波探測(cè)器共振質(zhì)量探測(cè)器

“共振質(zhì)量探測(cè)器”分為兩類：“棒狀探測(cè)器”與“球狀探測(cè)器”。棒狀探測(cè)器的靈敏度主要源自于圓柱體尖銳的共振頻率，其半峰全寬通常只有一到幾個(gè)赫茲。通常鋁質(zhì)圓柱體長(zhǎng)約3米，共振頻率大約在500赫茲至1.5千赫茲之間，質(zhì)量約為1000千克，用細(xì)絲懸掛起來(lái)。當(dāng)引力波照射到圓柱時(shí)，圓柱會(huì)發(fā)生諧振，繼而可以通過(guò)安裝在圓柱周圍的壓電傳感器檢測(cè)到。假設(shè)一個(gè)波幅為

共振質(zhì)量探測(cè)器主要會(huì)遭遇到三種噪聲:熱噪聲、傳感噪聲和量子噪聲。為了要測(cè)量到引力波的波幅，必須盡量削減這些噪聲。

原本的韋伯棒狀探測(cè)器的運(yùn)作溫度為室溫。為了削減熱噪聲，當(dāng)今，最先進(jìn)的棒狀探測(cè)器之一AURIGA的運(yùn)作溫度為0.1K。

引力波探測(cè)器激光干涉儀

當(dāng)今最具規(guī)模的激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）主要是由加州理工學(xué)院和麻省理工學(xué)院負(fù)責(zé)運(yùn)行，它也是美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)資助的最大科研項(xiàng)目之一。LIGO在兩個(gè)站點(diǎn)建造有三臺(tái)探測(cè)器，在華盛頓州的漢福德（Hanford）建有雙臂長(zhǎng)度分別為4千米和2千米的兩臺(tái)探測(cè)器（LIGO Hanford Observatory，簡(jiǎn)稱LHO），而在路易斯安那州的利文斯頓建有一臺(tái)雙臂長(zhǎng)度為4千米的探測(cè)器（LIGO Livingston Observatory，簡(jiǎn)稱LLO），相距漢福德3002千米。LIGO采用了多種尖端科技。LIGO的防振系統(tǒng)能夠壓抑各種振動(dòng)，真空系統(tǒng)是全世界最大與最純的系統(tǒng)之一，光學(xué)器件具備前所未有的精確度，能夠測(cè)量比質(zhì)子尺寸還小一千倍的位移，電算設(shè)施的高超功能足以處理龐大實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。。2002年起，LIGO正式啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集工作，至2010年共執(zhí)行了六次科學(xué)探測(cè)工作之后計(jì)劃結(jié)束，最佳靈敏度已經(jīng)達(dá)到10的數(shù)量級(jí)。

2009至2010年，LIGO升級(jí)為Enhanced LIGO并進(jìn)行了第六次科學(xué)探測(cè)，即S6。其激光功率從10瓦特提高到30瓦特以上，探測(cè)范圍可擴(kuò)大8倍。在2010年與2015年之間，LIGO進(jìn)行了名為“先進(jìn)LIGO”（Advanced LIGO）的升級(jí)計(jì)劃，簡(jiǎn)稱aLIGO。2015年，aLIGO正式投入使用，激光功率從初始版LIGO的10瓦特提升至200瓦特左右，探測(cè)頻帶下限從40Hz延伸到10Hz，靈敏度比初始版LIGO高出10倍，這意味著aLIGO能夠探測(cè)引力波的距離比先前高出10倍，探測(cè)范圍也擴(kuò)大1000倍以上，能夠探測(cè)到的可能引力波波源比先前多出1000倍。

處女座干涉儀（VIRGO）位于意大利比薩附近，是一架雙臂長(zhǎng)度為3千米的地面激光干涉儀，所在地點(diǎn)也叫做歐洲引力波天文臺(tái)（European Gravitational Observatory）。VIRGO自2007年起開(kāi)始進(jìn)行科學(xué)觀測(cè)，并且參與了S5的最后部分探測(cè)工作，VIRGO具有和LIGO相媲美的靈敏度。在進(jìn)行了大約五年，2千4百萬(wàn)歐元的升級(jí)之后的處女座干涉儀，稱為“先進(jìn)VIRGO”，于2017年8月1日正式加入LIGO兩個(gè)探測(cè)器搜索引力波，這三個(gè)探測(cè)器共同運(yùn)作應(yīng)該能夠較為精確地給出引力波波源的位置。

日本計(jì)劃在2019年建成神岡引力波探測(cè)器（KAGRA），它的600米長(zhǎng)的干涉臂被深埋在200米的巖石下，它的測(cè)試質(zhì)量也會(huì)被降溫至20K。物理學(xué)者認(rèn)為，這兩個(gè)手段將能減低噪聲，因此提高靈敏度。

GEO600位于德國(guó)漢諾威，是雙臂長(zhǎng)度為600米的探測(cè)器，其工作帶寬為50赫茲至1.5千赫茲。GEO600自2002年起開(kāi)始科學(xué)探測(cè)。

在第一架望遠(yuǎn)鏡被制造出來(lái)幾十年內(nèi)，用鏡子收集和聚焦光線的反射望遠(yuǎn)鏡就被制造出來(lái)。在20世紀(jì)，許多新型式的望遠(yuǎn)鏡被發(fā)明，包括1930年代的電波望遠(yuǎn)鏡和1960年代的紅外線望遠(yuǎn)鏡。望遠(yuǎn)鏡這個(gè)名詞現(xiàn)在是泛指能夠偵測(cè)不同區(qū)域的電磁頻譜的各種儀器，在某些情況下還包括其他類型的探測(cè)儀器。

英文的“telescope”（來(lái)自希臘的τ?λε，tele"far"和σκοπε?ν，skopein"to look or see"；τηλεσκ?πο?，teleskopos"far-seeing"）。這個(gè)字是希臘數(shù)學(xué)家喬瓦尼·德米西亞尼在1611年于伽利略出席的意大利猞猁之眼國(guó)家科學(xué)院的一場(chǎng)餐會(huì)中，推銷他的儀器時(shí)提出的。在《星際信使》這本書中，伽利略使用的字是"perspicillum"。

繪圖望遠(yuǎn)鏡簡(jiǎn)史

主條目：望遠(yuǎn)鏡史

關(guān)于望遠(yuǎn)鏡，現(xiàn)存的最早紀(jì)錄是荷蘭米德?tīng)柋さ难坨R制造商漢斯·利普西在1608年向政府提交專利的折射望遠(yuǎn)鏡。實(shí)際的發(fā)明者是誰(shuí)不能確定，它的發(fā)展要?dú)w功于三個(gè)人：漢斯·利普西、米爾德堡的眼鏡制造商撒迦利亞·詹森（Zacharias Janssen）和阿爾克馬爾的雅各·梅提斯。望遠(yuǎn)鏡被發(fā)明得消息很快就傳遍歐洲。伽利略在1609年6月聽(tīng)到了，就在一個(gè)月內(nèi)做出自己的望遠(yuǎn)鏡用來(lái)觀測(cè)天體。

在折射望遠(yuǎn)鏡發(fā)明之后不久，將物鏡，也就是收集光的元件，用面鏡來(lái)取代透鏡的想法，就開(kāi)始被研究。使用拋物面鏡的潛在優(yōu)點(diǎn) －減少球面像差和無(wú)色差，導(dǎo)致許多種設(shè)計(jì)和制造反射望遠(yuǎn)鏡的嘗試。在1668年，艾薩克·牛頓制造了第一架實(shí)用的反射望遠(yuǎn)鏡，現(xiàn)在就以他的名字稱這種望遠(yuǎn)鏡為牛頓反射鏡。

在1733年發(fā)明的消色差透鏡糾正了存在于單一透鏡的部分色差，并且使折射鏡的結(jié)構(gòu)變得較短，但功能更為強(qiáng)大。盡管反射望遠(yuǎn)鏡不存在折射望遠(yuǎn)鏡的色差問(wèn)題，但是金屬鏡快速變得昏暗的銹蝕問(wèn)題，使得反射鏡的發(fā)展在18世紀(jì)和19世紀(jì)初期受到很大的限制 －在1857年發(fā)展出在玻璃上鍍銀的技術(shù)，才解決了這個(gè)困境，進(jìn)而在1932年發(fā)展出鍍鋁的技術(shù)。受限于材料，折射望遠(yuǎn)鏡的極限大約是一米（40英寸），因此自20世紀(jì)以來(lái)的大型望遠(yuǎn)鏡全部都是反射望遠(yuǎn)鏡。目前，最大的反射望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)超過(guò)10米（33英尺），正在建造和設(shè)計(jì)的有30-40米。

20世紀(jì)也在更關(guān)廣的頻率，從電波到伽瑪射線都在發(fā)展。在1937年建造了第一架電波望遠(yuǎn)鏡，自此之后，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了各種巨大和復(fù)雜的天文儀器。

繪圖望遠(yuǎn)鏡類型

望遠(yuǎn)鏡這個(gè)名詞涵蓋了各種各樣的儀器。大多數(shù)是用來(lái)檢測(cè)電磁輻射，但對(duì)天文學(xué)家而言，主要的區(qū)別在收集的光（電磁輻射）波長(zhǎng)不同。

望遠(yuǎn)鏡可以依照它們所收集的波長(zhǎng)來(lái)分類：

• X射線望遠(yuǎn)鏡：使用在波長(zhǎng)比紫外線更短的電磁波。

• 紫外線望遠(yuǎn)鏡：使用于波長(zhǎng)比可見(jiàn)光短的電磁波。

• 光學(xué)望遠(yuǎn)鏡：使用在可見(jiàn)光的波長(zhǎng)。

• 紅外線望遠(yuǎn)鏡：使用在比可見(jiàn)光長(zhǎng)的電磁波。

• 次毫米波望遠(yuǎn)鏡：使用在比紅外線更長(zhǎng)的電磁波。

• 非涅耳成像儀：一種光學(xué)透鏡技術(shù)。

• X射線光學(xué)：某些X射線波長(zhǎng)的光學(xué)。

隨著波長(zhǎng)的增加，可以更容易地使用天線技術(shù)進(jìn)行電磁輻射的交互作用（雖然它可能需要制作很小的天線）。近紅外線可以像可見(jiàn)光一樣的處理，而在遠(yuǎn)紅外線和次毫米波的范圍內(nèi)，望遠(yuǎn)鏡的運(yùn)作就像是一架電波望遠(yuǎn)鏡。例如，觀測(cè)波長(zhǎng)從3微米（0.003mm）到2000微米（2毫米）的詹姆士克拉克麥克斯威爾望遠(yuǎn)鏡（JCMT），就使用鋁制的拋物面天線。另一方面，觀察從3μm（0.003毫米）到180微米（0.18 毫米） 的史匹哲太空望遠(yuǎn)鏡就可以使用面鏡成像（反射光學(xué)）。同樣使用反射光學(xué)的，還有哈伯太空望遠(yuǎn)鏡可以觀測(cè)0.2μm（0.0002 毫米）到1.7微米（0.0017 毫米），從紅外線到紫外線的第三代廣域照相機(jī)。