2 32 [3, 4] ( X ) [5] (Taylor) (Hulse) Arecibo PSR [6] 14 [7 9] ± [10] (Weber) [11, 12] 10 [13 17] (h
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- 引留 耿
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1 32 3 Vol. 32, No PROGRESS IN ASTRONOMY Aug., 2014 doi: /j.issn , David Blair 4 Ju Li 4 Zhao Chun-nong 4 ( University of Western Australia, Australia ) ( 2015 ) P A 1 20 [1, 2] ( ) 973 (2012CB821804) @qq.com
2 2 32 [3, 4] ( X ) [5] (Taylor) (Hulse) Arecibo PSR [6] 14 [7 9] ± [10] (Weber) [11, 12] 10 [13 17] (h ) ( ) [18 21] (Gertsenshtein) (Pustovoit) 1963 (Weiss) [22 27] LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) [28] (Livingston) 4 km
3 3 3 (Hanford) 4 km 2 km (Pisa) 3 km Virgo [29] (Hannover) 600 m GEO600 [30] 300 m TAMA300 [31] AIGO 4 km [32] [33] [34, 35] 1 1
4 4 32 L ω 0 2L φ(t) = ω 0 t r = 2ω 0 L/c L ( L 1 = L 2 ) ( ) ω g h 0 h(t) = h 0 cos(ω g t) φ(t) = ω 0 t r = 2ω 0L c ± ω 0 2 t t 2L/c h(t)dt, (1) δφ h(t) h 0 1 δφ h 0 2 ω 0 ω g δφ = ω 0 2 { sin(ω g t) sin t t 2L/c [ω g (t 2Lc ) ]} h 0 cos(ω g t)dt. (2) ω 0 L = h 0 sin(ω g [ω ω g c ) cos g (t Lc ] ). (3) ω g ω 0 L h 0 sin(ω g ω g c ) h L 0ω 0 c. (4) ω 0 h 0 L L L δφ (1) (Seismic Noise)
5 3 5 x = α/f 2 f α ( ) (2) (Shot Noise) h h shot (f) = 1 cλ. (5) L 2πP in (3) (Radiation Pressure Noise) ( ) h h rp (f) = 2 L X(f) = 1 Pin mlf 2 2π 3 cλ. (6) P in P in P in ( ) P in
6 6 32 (QNR) (QND) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) (4) (Thermal Noise) ( ) 1882 (5) (Gravity Gradient Noise)
7 3 7 (6) (Stray Light Noise) (7) (Residual Gas Noise) 2.3 ( multimessenger astronomy) ( s) 20 21
8 8 32 ( X ) 2.4 (1) 20 km (2) (3) (4) 10 9 K 0.1 s (5) (6)
9 3 9 (7) (M > 10 5 M ) mhz (8) (1) (2) (3) (Michelson Interferometer) (Michelson) 1881
10 10 32 [37, 38] 2 Y Y ( X ) X d (d ) α ϕ = 2π λ 2d cos α + φ. (7) λ φ φ φ, π φ φ = π X Y τ (τ T T ) I = (1/τ) τ 0 A2 dt X Y ψ x = A 1 cos(ϕ 1 ωt). (8) ψ y = A 2 cos(ϕ 2 ωt). (9) ψ = ψ x + ψ y = A 1 cos(ϕ 1 ωt) + A 2 cos(ϕ 2 ωt) = A cos(ϕ ωt). (10) I = 1 τ τ 0 A 2 = A A A 1 A 2 cos(ϕ 2 ϕ 1 ). (11) A 2 dt = 1 τ A 1 A 2 τ I = A A A 1 A 2 1 τ 0 [A A A 1 A 2 cos(ϕ 2 ϕ 1 )]dt. (12) τ 0 cos(ϕ 2 ϕ 1 )dt. (13)
11 3 11 p ϕ(p) = ϕ 2 (p) ϕ 1 (p) ϕ(p) ( ) I = A A A 1 A 2 cos ϕ. (14) ϕ(p) 2A 1 A 2 cos ϕ 2A 1 A 2 cos ϕ ϕ 1 (p) ϕ 2 (p) ϕ(p) ϕ = 2jπ (j = 0, ±1, ±2,...) cos ϕ = 1 ϕ = (2j + 1)π cos ϕ = 1 (j ) j = 0 0 [39] X Y (7) X Y ( d = 0) ϕ = φ = π 0 X Y X Y φ x,y (t) = ω 0 (t + t x,y r ). (15) t x r t y r φ x (t) φ y (t) φ = φ x φ y = 2ω 0(L x L y ) c L x = L y φ = φ GW (t) = ω 0 t t 2L/c + φ GW (t). (16) h(t )dt. (17) L ( ) φ GW (t) 2Lω 0 h(t). (18) c π φ GW (t)
12 12 32 H(ω) h(t) (h(t) = h(ω)e iωt dω) φ GW (t) = h(ω)e iωt H(ω)dω. (19) H(ω) = 2Lω 0 c H(ω) (1) L sin(lω/c) e iωl/c. (20) Lω/c (2) L L = nλ GW /2 3 L = 3 km 75 km ( L = 3 km 1) 3 [40] 3.2 (Fabry-Perot Cavity) φ GW L 1/4 100 Hz 75 km
13 3 13 GEO600 LIGO Virgo TAMA300 [41 43] [43] r 1 r 2 t 1 t 2 l r1 2 + t 2 1 = 1 r2 2 + t 2 2 = 1 1 a 1 2 a 2 r1 2 + t a 2 1 = 1 r2 2 + t a 2 2 = 1 E 0 1 E 0 r E 0 t 1 2 E 0 t 1 t 2 e ikl (k = 2π/λ = ω/c ) 2 1 E 0 t 1 r 2 e ikl 1 1 E 0 t 2 1r 2 e i2kl 1 2 E 0 t 1 r 2 r 1 e i2kl ( E 0 t 1 ) r 1 r 2 e i2kl t c = t 1 t 2 e ikl t c 2 kl n=0 ( r1 r 2 e i2kl) n = t 1 t 2 e ikl 1 r 1 r 2 e i2kl. (21)
14 14 32 (1) t c 0 2 (2) ( 2kl = 2nπ n ) (3) 1 r c = r 1 + t 2 1r 2 n=0 ( r1 r 2 e i2kl) n = r1 + t 2 1r 2 1 r 1 r 2 e i2kl. (22) 2 ( t 2 t 2 0) r 2 = 1 ( ) r c (r c = r 1 + t 2 1) 1 2 a 2 t 2 r c 1 E inside = E 0 t 1 1 r 1 e i2kl, (r 2 = 1). (23) t e i2kl 1 kl = nπ 1 E esc = E 0 t r 1 (1 i2kl). (24) E 0 (1 + r 1 ) E ref1 = r 1 E 0 + E esc = E 0. (25) E (1) (Free Spectral Range) f FSR c/2l l c f FSR
15 3 15 (2) (Finesse) f FSR f FWHM F f FSR / f FWHM F = π r 1 r 2 1 r 1 r 2. (26) F (3) (Storage Time) 2 1 N (N ) t = 0 e t/ts t s t s = l 1 + r2 2 c 1 r1r r 1 r 2 1 t s F/(2π f FSR ) (4) 1 f FSR 1 1 r 2 1r 2 2 E FP = g FP P 0 l(1 + r 2 2) c. (27). (28) g FP ( ) P 0 0 r 1 r 2 1 E FP = 2P 0 F/π f FSR E FP P 0 t s t s 1 2 t s ( 4 ) 3.3 (Power recycling system) 300 Hz
16 16 32 (Drever) (Schilling) [44] ( ) ( ) ( ) ( ) R R R com ( ) 2 1 RR P R = 1 P in. (29) R R R com P in G ( ) 2 1 RR G = 1. (30) R R R com R com R R = R com G G = 1/(1 R com ) R com R com 5 R R R com
17 3 17 (1) R com = R R G (2) R com < R R G R R (3) R com > R R G R R (4) G R R 5 G R R [40] t PR 2 = 1 a PR r PR 2 = (1 a PR )[1 (1 a PR )(1 a int )] a int + a PR. (31) a PR a int G PR 2 = 1 a int + a PR /(1 a PR ) 1. (32) a int + a PR 1 a int = rarm(1 2 a BS ) 1 + C. (33) 2 r arm a BS C C [45 47] [48, 49]
18 (1) L int = δp P L RMS. (34) L int δp/p L RMS δp/p (2) ( L) δν h FM = δν ν L L. (35) ν L h FM = L F δν L F ν F F (3) TEM00. (36) TEM (Transverse Electromagnetic Mode) m n TEMmn m n ( ) z z x Emn(z) x ω 0 2x 2x = E 0 ω(z) H m ω(z) H x 2 +y 2 n ω(z) e ω(t) 2, (37) ω(z) = ω (z/z0 ) 2 z 0 = πω 2 0/λ ( x y )
19 3 19 (4) ( ) (5) [46, 48, 49] (1) Ar + (2) (MOPA) (3) (4) ( ) YAG 1064 nm 3.5 (Mode Cleaner) TEM00 TEM00 [48] 1) 2) 3) 4)
20 Pa T cav (φ) = (t I t O ) 2 (1 r I r O r E ) F sin 2 (φ/2). (38) r t I O E F F = 4r I r O r E (1 r I r O r E ) 2. (39) φ φ = 2kl + 2(m + n + 1)η k l η Gouy m n TEMmn ( ) φ = 2nπ(n ) r I = r O 6 S P (r I = r O = 0.9, r E = ) 6 [48] TEM00
21 3 21 φ M 2 M 2 z ( M 2 ) 2 λz ω(z) = ω (40) nπω0 2 λ n ω 0 TEM00 M M = 1 TEM00 [48] S P S P ( 7 ) 7 [50] n 1 n 2 i 1 i 2 E 1 K 1 E 2 K 2 S P K S +y S P r S = E S1 = n 1 cos i 1 n 2 cos i 2 = sin(i 1 i 2 ) E S1 n 1 cos i 1 + n 2 cos i 2 sin(i 1 + i 2 ), (41) r P = E P 1 = n 2 cos i 1 n 1 cos i 2 = tan(i 1 i 2 ) E P 1 n 2 cos i 1 + n 1 cos i 2 tan(i 1 + i 2 ). (42)
22 22 32 t S = E S2 E S1 = 2n 1 cos i 1 = 2 sin i 2 cos i 1 n 1 cos i 1 + n 2 cos i 2 sin(i 1 + i 2 ), (43) t P = E P 2 E P 1 = 2n 1 cos i 1 n 2 cos i 1 + n 1 cos i 2 = 2 sin i 2 cos i 1 sin(i 1 + i 2 ) cos(i 1 i 2 ). (44) R S = r S 2 R P = r P 2 T S = t S 2 n 2 /n 1 T P = t P 2 n 2 /n 1 S P π S P T cav (φ) = (t I t O ) 2 (1 + r I r O r E ) F sin 2 (φ/2), (45) F = 4r I r O r E (1 + r I r O r E ) 2. (46) S P 3.6 (Seismic Attenuation and Mirror Suspension) ( ) (Passive Mechanical Filter) ( ) ( ) [43, 51] x ( 8 (a) ) m d2 x dt 2 + K(x x 0) = F ext. (47) m ( ) K = mg/l x 0
23 [52] F ext x(ω) = ω2 0x 0 (ω) + F ext (ω)/m ω 2 0 ω 2. (48) ω 0 = 2πf 0 f 0 ( F ext = 0) m x(ω) x 0 (ω) = ω2 0 ω 2 0 ω 2. (49) 8(a) (b) (1) ω < ω 0 x(ω) = x 0 (ω) (2) ω 0 (ω = ω 0 ) 90 (ω > ω 0 ) 180 (3) ω ω c = m/mω 0 ω > ω 0 x(ω)/x 0 (ω) = ω 2 0/ω 2 M (4) ω 0 ω c 1/ω 2
24 24 32 m M ω c n n x(ω) n x 0 (ω) = i=1 ω 2 i ω 2 0 ω 2 i. (50) f < ω i /2π 1/f 2n n LIGO GEO600 TAMA300 [41] (Seismic Attenuation System) [53, 54] (1) (2) ( ) (3) (4) ( 100 mhz) ( ) (5) (6) (7) ( 9 )
25 3期 王运永 等 激光干涉仪引力波探测器 25 挂系统 现在分别讲述如下 1) 倒摆 (Inverted Pendulum) 倒摆 [54 56] 是由质量很轻 强度很大的材料做成 具有非 常低的共振频率 (小于 100 mhz) 地表震动衰减系统使用倒摆 主要出于以下考虑 (1) 在地表震动峰值幅度为微米数量级的频带内 ( mhz) 对 x y z 和 θ 方向的运动提供足够大的衰减系 数 (2) 倒摆运动的恢复力非常小 用倒摆可以搭建一个平台 以置放整个地表震动衰减系统的其他部件和镜体悬链 负载可 图 9 达 100 kg 以上 当振动频率 f 远远小于摆的共振频率 f0 时 地表震动衰减系统结构 示意图 [52] 使负载 M 移动距离 x 所需要的力为 F ω02 x 计算可知 若 M = 1000 kg x = 1.0 cm F = 0.4 N 它是非常小的 这样就可以使用 轻柔 的磁铁 线圈 驱动器在很宽的频率范围内 (DC 100 mhz) 来控制悬挂点和镜子的位置 功率损耗很小 (3) 可以提供一个 准惯性 平台 在这个平台上可以有效地阻尼悬链的运动 探测运动 引起的反冲 (a) 倒摆的稳定性 为了研究倒摆的基本动力学问题 我们把倒摆简化成一个理 想模型 如图 10 所示 一个质量为 M 的等效负载 由一根长度为 l 没有质量的刚 性杆垂直地支撑着 它通过一个角刚度为 K 的弹性关节与地 相连 有效负载 M 是想要与地表震动隔离的目标 它表示为一 个点质量 简化倒摆参数为 l 倒摆腿的长度 m 倒摆腿 的质量 I 倒摆腿相对其质心的转动惯量 Kθ 柔韧关节 的转动弹簧常数 (x, z) 有效负载的位置坐标 (xl, zl ) 倒 摆 腿 质 心 的 坐 标 (x0, z0 ) 柔 韧 关 节 与 地 接 触 点 的 位 置 坐 标 θ 倒摆腿与垂直轴的夹角 利用上述参数我们可以写出 图 10 倒摆简化示意图 [54] 倒摆的运动方程 J θ = Kθ + M gl sin θ, (51) 其中 J 是倒摆系统相对于支撑点的转动惯量 Kθ = Nl l 是弹性力矩 M gl sin θ = Ngrv 是 重力力矩 在小角度近似下 上式可改写成 J θ = Keff θ, (52) 其中 Keff = K M gl 是有效弹簧常数 可以看出 重力作为一种 反弹簧 减小了总刚度
26 26 32 U pot = 1 2 Kθ2 + Mgl(cos θ 1) 1 2 K effθ 2 + Mgl θ4 4! + O(θ6 ). (53) R R = Mgl/K U pot /K R (1) R 1 θ (2) R θ = 0 (3) R 1 R = 1 θ = 0 0 (4) R 1 θ = 0 (5) R 1 (b) k k = K/l 2 f 0 = 1 k 2π M g l. (54) M/k f 0 M/k (c) [57 59] m J K (M + m 4 + J l 2 )ẍ (m 4 J l 2 )ẍ 0 l g (M + m 2 )(x x 0) + K(x x 0 ) = 0. (55) x(ω) = ω2 0 + βω 2 ω 2 0 ω 2 x 0(ω). (56) ω 2 0 = K (M + m/2)g/l M + m/3 = K A D, (57)
27 3 27 A = (M + m/2)g/l C = m/6 D = M + m/3. ( 11 ) β = m/6 M + m/3 = C D, (58) x(ω) x 0 (ω) = ω2 0 + βω 2 ω 2 0 ω 2. (59) 11 [59] (d) (Center of Percussion Effect) f f 0 / β x(ω) = βx 0 (ω) f c = f 0 / β C x(ω) = βx 0 (ω) β [60] 1 β = 0 2 β > 0 3 β < 0 βω 2 β = 0 β f c s = l (1) β = (m/6)/(m + m/3) m = 0 β = 0
28 28 32 (2) (3) 2) ( ) (Linear Variable Differential Transducer, LVDT) 3) ( ) (a) (Filter) 300 mhz 3 m [61, 62] (Monolithic Geometric Anti-Spring Filter, MGASF) MGASF [63] MGASF [52, 63, 64]
29 3 29 MGASF K z, K x l oz l ox m ( ) Z eq Z l = X0 2 + Z 2 m Z = K z Z K x (l l ox ) Z l. (60) (Z = 0) Z { m Z = K z + K x (l l } ox ) X X 0. (61) K eff K eff = K z + K x (1 l ox /X 0 ) X 0 < l ox K eff (K eff < K z ) MGASF K eff = 0 X 0 = K xl ox K x + K z. (62) MGASF H z0 (ω) = Z/Z g = ω 2 0/(ω 2 0 ω 2 ) Z g ω 2 0 = K eff /m (b) (Suspension Subsystem) ( ) [52, 65] (1) (2) (3)
30 30 32 (4) ( m) (Passive Damper) ( Q ) LIGO 3.7 (Vacuum System) [66, 67] [68] ( ) Pa 1000 kg Pa ( Pa) Pa L 1 s 1 cm C 30 d Pa L 1 s 1 cm ( GEO600 TAMA300) (
31 3 31 LIGO Virgo) 0.5 m (Electrochemical Buffing) (Electro Polishing) [69, 70] w [71, 72] 1 LIGO GEO600 [73] 13 LIGO ➀ ( ) LIGO (aligo) [76] Virgo (avirgo) [77] KAGRA [78] ( LCGT [79] ) [80] (Einstein Telescope, ET ET-B ET-D [81] [82]) 13 ➀ [74] (S6) [75]
32 Hz 1 Hz ( ) LISA [83, 84] (Laser Interferometer Space Antenna) LISA km 3 ( 1 kg) LISA 0.1 mhz 1.0 Hz LISA (ESA) (NASA) 2013 LISA 2011 NASA ➀ ESA elisa/ngo ( evolved LISA New Gravitational-wave Observatory) 2022 [85] 4.3 ( ) CEGO (China Einstein Gravitational-wave Observatory) [86 88] ( ) 500 m 4 5 km Hz KAGRA (Kamiooka Gravitational Wave Detector) 5 ( 2015 ) ➀
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3 349 [3, 4] ( X ) [5] (Taylor) (Hulse) Arecibo PSR [6] 14 [7 9] ± [10] (Weber) [11, 12] 10 [13 17] (h 10 15
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