眾所周知，2016年2月11日，美國國家科學(xué)基金會(huì)于華盛頓特區(qū)的國家媒體中心正式宣布了激光干涉引力波觀測(cè)站（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory; LIGO）探測(cè)到了引力波，探測(cè)精度達(dá)到了1e-22，相當(dāng)于可以看到4000米的探測(cè)臂發(fā)生了萬分之一倍質(zhì)子尺寸大小的變化。引力波源是兩個(gè)已經(jīng)并合的黑洞，基于對(duì)信號(hào)波形的分析，可以推知并合前質(zhì)量分別是36倍和29倍太陽質(zhì)量，并合之后質(zhì)量為62倍太陽質(zhì)量，減少的3倍太陽質(zhì)量（能量）以引力波方式被輻射出去。這表明了人類首次直接探測(cè)到了引力波，直接看到了一次雙黑洞并合。消息一經(jīng)宣布，就如一夜春風(fēng)來，千網(wǎng)萬網(wǎng)遍說引力波，千街萬巷皆談引力波。

也許是對(duì)“引力波”字眼變得敏感，近日，在瀏覽《天文學(xué)進(jìn)展》期刊主頁時(shí)，發(fā)現(xiàn)從2014年3月至2016年1月，三篇有關(guān)引力波的綜述文章刊登在該期刊上，從不同角度綜述了引力波探測(cè)以及國際上的研究進(jìn)展，從對(duì)引力波探測(cè)意義的探討到方法的論述，從對(duì)探測(cè)工具——激光干涉儀引力波探測(cè)器的綜述，到引力波數(shù)據(jù)處理的研究。這與LIGO探測(cè)到引力波當(dāng)然沒有關(guān)系，但卻鮮明地告訴我們：此時(shí)此刻，中國就有一批人在關(guān)注著引力波的研究，探索著中國自己的引力波研究領(lǐng)域的發(fā)展道路。也許，發(fā)表在《天文學(xué)進(jìn)展》的這三篇論文給予了我們小窗口，讓我們看到了他們探索進(jìn)程的一種樸素表達(dá)。

《天文學(xué)進(jìn)展》，是由中國科學(xué)院上海天文臺(tái)和中國天文學(xué)會(huì)主辦的天文學(xué)術(shù)刊物，1983年6月創(chuàng)刊，每一季度一期。它主要刊登反映國內(nèi)外天文學(xué)各分支學(xué)科最新研究進(jìn)展的評(píng)述性文章；也發(fā)表研究論文、學(xué)科前沿介紹、研究快報(bào)、專題講座和學(xué)術(shù)活動(dòng)報(bào)道等稿件。其主要讀者對(duì)象為天文學(xué)各分支學(xué)科及相關(guān)學(xué)科的科研人員、大專院校師生、研究生。

言歸正傳，這三篇有關(guān)引力波的文章分別發(fā)表于2014年第3期、2015年第1期和2016年第1期。作者包括了來自于北京師范大學(xué)、清華大學(xué)、中國計(jì)量科學(xué)研究所、西澳大學(xué)、中國科學(xué)院、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中科院大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)、首都師范大學(xué)、河南大學(xué)、河南理工大學(xué)、華中科學(xué)技術(shù)大學(xué)（按照2014年-2016年發(fā)表的這三篇文章的作者所屬單位出現(xiàn)的先后排序）的研究者們。

文章1，2014年第3期刊登的《激光干涉儀引力波探測(cè)器》系統(tǒng)地介紹了激光干涉儀引力波探測(cè)器的性能和工作原理，詳細(xì)分析了其關(guān)鍵部件，如：邁克爾遜干涉儀、法布里{珀羅腔、功率循環(huán)系統(tǒng)、激光器、清模器、倒擺、單體幾何反彈簧過濾器、真空系統(tǒng)等的結(jié)構(gòu)、性能和工藝特點(diǎn)，展望了其廣闊的發(fā)展前景。

希望了解激光干涉儀引力波探測(cè)器的工作原理的朋友們，強(qiáng)烈推薦你們?nèi)プx讀這篇文章。太花時(shí)間？好吧，這里就選取文中的兩點(diǎn)來和大家分享。

在地球上建造的激光干涉儀引力波探測(cè)器主要的噪聲源有哪幾種呢？（參考至文1）

（1）地面震動(dòng)噪聲：指由于自然現(xiàn)象和人類活動(dòng)引起的。如微地震，海浪的運(yùn)動(dòng)，，大風(fēng)引起的房屋及樹木的晃動(dòng)對(duì)地基的影響，大雨及冰雹引起的地面震動(dòng)，交通運(yùn)輸、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、礦山開采、建筑工地引起的地面震動(dòng)等。典型的地表震動(dòng)噪聲對(duì)探測(cè)器靈敏度的影響在低頻部分（幾十赫茲以下）最嚴(yán)重的，而這個(gè)頻帶的地表震動(dòng)是普通隔震系統(tǒng)最難處理的。

（2）霰(xian)彈噪聲：激光束強(qiáng)度的漲落在干涉儀輸出端引起的噪聲。

（3）輻射壓力噪聲：我們知道光具有波粒二象性，試想光在干涉儀臂中的來回反射，是不是相當(dāng)于光束中的光子在臂中往返運(yùn)動(dòng)，這些光子撞擊到鏡子表面之后，使鏡子感受到一種壓力，稱為光輻射壓力。由于光子數(shù)目并不總是固定不變的，存在一定的漲落，從而導(dǎo)致鏡子收到的輻射壓力也在漲落，這種漲落會(huì)造成鏡子位置的波動(dòng)，形成噪聲，稱之為輻射壓力噪聲。

（4）熱噪聲：系統(tǒng)中的鏡子和懸掛系統(tǒng)的熱噪聲影響最大。它們會(huì)與所處環(huán)境進(jìn)行能量交換，交換來的能量會(huì)使鏡子本身及本身發(fā)生熱運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致位置漲落，形成噪聲。

（5）引力梯度噪聲：鏡子周圍質(zhì)量分布的變化引起的噪聲。

（6）散射光子噪聲：在光的傳播過程中，少部分激光會(huì)被散射離開主光束。當(dāng)它們被反射回來時(shí)，會(huì)和干涉儀中攜帶引力波信號(hào)的光束耦合。但這些散射光已經(jīng)攜帶了它們之前散射面的信息，因此會(huì)污染期望中的信號(hào)，形成噪聲。

（7）殘余氣體噪聲：激光干涉儀引力波探測(cè)器的真空室和真空管道中會(huì)有少量氣體殘留下來，這些殘余氣體除了會(huì)產(chǎn)生熱噪聲外，它們的密度擾動(dòng)會(huì)影響激光束傳播，產(chǎn)生殘余氣體噪聲。

激光干涉儀引力波探測(cè)器的組成部分有哪些呢？

以LIGO為例，它有兩個(gè)L型邁克爾遜激光干涉儀，分別在華盛頓的漢福德和路易斯安那的利文斯頓，兩者相距3002千米。對(duì)于其中的一個(gè)L型探測(cè)器，兩臂長度均為4千米，一束激光被分光鏡分為互相垂直的兩束。由于在交叉處和每一條臂的末端都垂放著大約直徑34厘米、重達(dá)40千克的反射鏡，因此每束激光都分別在一系列反射鏡上來回反射很多次，最終回到交叉處發(fā)生干涉。如果兩臂長度保持不變，那么將最終干涉相消，光線不會(huì)抵達(dá)光電探測(cè)器，即最終在輸出上看不到干涉信號(hào)。但是如果由于引力波輕微地拉伸一條臂，壓縮另一條臂，相互干涉的兩束激光束就不再能干涉相消，干涉結(jié)果將顯示出來，使光線外泄到光電探測(cè)器上。輸出的信號(hào)中就蘊(yùn)含了兩臂的相對(duì)長度變化，進(jìn)而告訴我們引力波的消息，LIGO探測(cè)器主要測(cè)量的就是這種由于兩臂相對(duì)長度變化帶來的干涉信號(hào)。

其實(shí)，每一個(gè)L型探測(cè)器是一臺(tái)“變異”的邁克爾遜干涉儀，其相互垂直的兩臂各有一個(gè)法布里——珀羅腔，并帶有光循環(huán)鏡和其它功能部件。為什么要變異成這樣呢？

干涉儀的臂長越大，對(duì)引力波的響應(yīng)也就越強(qiáng)。為了獲得最佳探測(cè)效果，根據(jù)計(jì)算，邁克爾遜干涉儀的臂長應(yīng)為75千米。在地球上建造這樣一個(gè)大尺度的干涉儀是不可能的：第一，造價(jià)太高；第二，在這么大的平面上，地表的球面效應(yīng)很大，不能在把它看成一個(gè)平面。于是就想到是否可以將臂折疊起來，是光在其中的形成達(dá)到引力波的最佳探測(cè)效果，而折疊后的長度又合適，使我們有可能在地球上建造。這種技術(shù)就是GEO600的光延遲技術(shù)，和用于LIGO、VIRGO和TAMA300的法布里——珀羅腔。以下介紹應(yīng)用更普遍的法布里——珀羅腔。

法布里——珀羅腔

光學(xué)上，法布里——珀羅干涉儀是一種由兩塊平行的玻璃板組成的多光束干涉儀，其中兩玻璃板的內(nèi)表面具有高反射率。引力波探測(cè)器采用法布里——珀羅腔是用來在毫秒量級(jí)的時(shí)間上儲(chǔ)存光子，使其在諧振腔的反射鏡間反復(fù)震蕩，從而增大臂的有效長度，提高引力波探測(cè)器的靈敏度。例如，通過在分光鏡之后和兩臂兩端裝上反射率極高的鏡子，使得光被反射了400次之后才發(fā)生干涉，并輸出信號(hào)。

功率循環(huán)鏡

激光干涉儀引力波探測(cè)器對(duì)激光束有5個(gè)方面的要求，其中之一便是需要高輸出功率，而且得穩(wěn)定。引力波探測(cè)器的靈敏度與激光功率正相關(guān)，LIGO在升級(jí)前的激光功率只有10瓦，升級(jí)后提高至200瓦。此外，LIGO還采用了功率循環(huán)技術(shù)來提高干涉儀內(nèi)的有效功率。基本想法是“把從干涉儀中反射出來的光(即被浪費(fèi)的功率) 重新收集起來，再注入干涉儀中，進(jìn)行循環(huán)利用。在激光器和分光器之間放上一篇鏡子，稱為功率循環(huán)鏡，等于在干涉儀上又組成了一個(gè)法布里——珀羅腔。腔的一個(gè)端鏡是功率循環(huán)鏡，另一面端鏡是把干涉儀等效成的一個(gè)復(fù)合鏡，我們稱這個(gè)法布里{珀羅腔為‘功率循環(huán)腔’。為使激光干涉儀引力波探測(cè)器獲取最高的靈敏度，功率循環(huán)腔要與入射光發(fā)生共振。光循環(huán)的作用只是相當(dāng)于使用一個(gè)功率更大的激光器來照射干涉儀。”

LIGO的超真空環(huán)境

10000立方米的真空腔內(nèi)，氣體壓僅是萬億分之一個(gè)大氣壓。為什么要保持真空環(huán)境呢？1. 避免聲波的干擾，而聲波無法在真空環(huán)境下傳播，2. 如果不是真空環(huán)境，空氣的溫度變化和空氣流會(huì)影響LIGO光學(xué)系統(tǒng)。如何保證是真空的呢？需要長達(dá)1100小時(shí)的恒定抽氣，使得室內(nèi)壓強(qiáng)達(dá)到最佳工作壓力。在那時(shí)，渦輪泵真空除去管道內(nèi)的空氣，而管道自身也在30天期間被加熱到150-170攝氏度去除其內(nèi)部殘余的氣體分子。

LIGO的減震系統(tǒng)

例如，在數(shù)百或數(shù)千赫茲上，激光器上的單個(gè)光子在與鏡子碰撞時(shí)會(huì)產(chǎn)生輻射壓噪聲。為了平滑這樣的噪聲，研究人員采用加大光強(qiáng)并裝置厚重的鏡子的方法。在頻率為數(shù)十或更低時(shí)，地震波震動(dòng)主導(dǎo)，所以研究人員使用復(fù)雜的懸掛系統(tǒng)將鏡子懸空，并動(dòng)態(tài)地糾正地震波的震動(dòng)。

還有更多的組成部分也在文章1（（http://202.127.29.4/twxjz/abstract/2014/20140306.pdf））中提及，這里就不一一提及。

文章2，發(fā)表于2015年第1期《天文學(xué)進(jìn)展》。文中提到，“空間引力波探測(cè)是研究宇宙早期恒星演化和星系形成、黑洞和星系的共同成長等天文學(xué)和宇宙學(xué)重大問題的一條重要可能途徑。經(jīng)過兩期科學(xué)院先導(dǎo)科技專項(xiàng)空間科學(xué)預(yù)研究課題的開展，通過權(quán)衡技術(shù)的可行性與科學(xué)的前瞻性，選擇以高紅移開始的中至大質(zhì)量雙黑洞并合系統(tǒng)、星團(tuán)等稠密動(dòng)力學(xué)環(huán)境中涉及中等質(zhì)量黑洞的雙黑洞引力波波源為主要科學(xué)目標(biāo)，給出了我國毫赫茲至赫茲頻段空間引力波探測(cè)任務(wù)計(jì)劃的初步設(shè)計(jì)。以該任務(wù)設(shè)計(jì)建議為依據(jù)，簡要介紹空間引力波探測(cè)及其作為一種新的天文觀測(cè)手段的科學(xué)內(nèi)涵，以及我國空間引力波探測(cè)任務(wù)設(shè)計(jì)的科學(xué)目標(biāo)和探測(cè)潛力?！?/p>

文中還介紹了我國空間伊犁博探測(cè)與研究所建議的任務(wù)設(shè)計(jì)，指出將“沿用空間激光干涉引力波探測(cè)最自然的三角形位形結(jié)構(gòu)，衛(wèi)星陣列由3 顆在地球繞日軌道上運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星組成，應(yīng)用差分激光干涉技術(shù)，測(cè)量相鄰航天器內(nèi)做測(cè)地運(yùn)行的自由懸浮檢驗(yàn)質(zhì)量之間的實(shí)時(shí)距離變化來測(cè)量通過衛(wèi)星之間的引力波”，并詳細(xì)介紹了主要科學(xué)目標(biāo)。

更多的細(xì)節(jié)將可以在文章2（http://202.127.29.4/twxjz/abstract/2015/20150104.pdf）中找到。

文章3，發(fā)表于2016年第1期《天文學(xué)進(jìn)展》。自從GW150914引力波事件后，很多人好奇科學(xué)家們是如何從“喧鬧”的聲音中識(shí)別出引力波的聲音，還探究出它的來源——雙黑洞的并合。也許科普文章上告訴你，是通過類似指紋識(shí)別的方式來比對(duì)觀測(cè)結(jié)果和根據(jù)理論電腦模擬的結(jié)果，來追蹤引力波源。但具體怎樣做的、當(dāng)中的復(fù)雜程度如何，我們無從了解。這篇文章就介紹了引力波數(shù)據(jù)處理和分析的常用工具軟件，興趣盎然的朋友們可以點(diǎn)進(jìn)去看看，它詳細(xì)討論了時(shí)間- 頻率分析、復(fù)合分析法、脈沖星計(jì)時(shí)分析法、匹配過濾器、模板和蒙特- 卡羅模擬等引力波數(shù)據(jù)分析中使用的基本方法。

更多的細(xì)節(jié)將可以在文章3（即將上線）中找到。