引力波探测与激光陀螺技术PPT课件.ppt

引力波探测与激光陀螺技术 广义相对论的最后预言 1 什么是引力波引力波首次探测历程LIGO的技术介绍探测引力波的意义引力波探测与激光陀螺技术中国引力波探测 主要内容 爱因斯坦 1879 1955 2 什么是引力波引力波首次探测历程LIGO的技术介绍探测引力波的意义引力波探测与激光陀螺技术中国引力波探测 主要内容 三岁 内向 不爱说话可能是内心世界很丰富 3 水星进动光线偏折引力红移引力透镜引力波 五个主要猜想 广义相对论的最后预言 信号太微弱难以检测 广义相对论 描述物质间引力相互作用的理论 引力场是时空的弯曲 4 水星进动 近日点进动 牛顿定律计算值与实际观测值相差43 11角秒 世纪广义相对论计算差值43 03角秒 世纪式中c为光速 T a e分别为轨道周期 半长径和偏心率 5 光线偏折 根据广义相对论 光和物体的运动一样 受到引力场的作用 会偏向引力源 爱因斯坦1915年计算了星光从太阳近旁通过时的偏折角为1 75 6 引力红移 红移 物体的电磁辐射由于某种原因波长增加的现象 在可见光波段 表现为光谱线朝红端移动 即波长变长 频率降低 多普勒红移多普勒效应 天体运动远离观察者引力红移天体具有强引力场 由于光子摆脱引力场向外辐射所造成的宇宙学红移哈勃定律 空间膨胀 大爆炸理论的强有力证据 7 引力透镜 引力场源对位于其后的天体发出的电磁辐射所产生的会聚或多重成像效应 8 引力波 导语 北京时间2016年2月11日23 40左右 激光干涉引力波天文台 LIGO 负责人 加州利空学院教授DavidReitze宣布 人类首次发现了引力波 那么什么是引力波 预言者 爱因斯坦预言年份 1916年理论依据 广义相对论中引力辐射理论具体描述 相对论中预言了引力波会产生于强引力场的天体事件 引力波与宇宙中的物质的相互作用是非常微弱的 可以传播至很远的宇宙空间 对 就是我 9 引力波 水波 引力波是一种时空涟漪 引力辐射GravitationalRadiation引力是一种时空的扭曲 而不是距离上力的体现 时空命令物质如何运动 而物质引导时空如何弯曲 当物质的分布改变时 时空也会相应变化 这一变化以光速传播开去 就好像在平静的湖面丢下一粒石子 湖面就会有一圈波浪向外荡去 时空也会将涟漪向外传开 这便是引力波 究竟什么是引力波 10 什么是引力波引力波首次探测历程LIGO的技术介绍探测引力波的意义引力波探测与激光陀螺技术中国引力波探测 主要内容 1921年 爱因斯坦在维也纳演讲 11 两黑洞碰撞3D模拟示意图 概述 两个质量分别为29和36倍太阳质量的恒星级黑洞 互相绕转 最后合并成62倍太阳质量的黑洞 黑洞合并产生了非常强的碰撞 所以我们遥远的地球才观测到 12 13 LIGO探测引力波信号 GW150914 14 什么是引力波引力波首次探测历程LIGO的技术介绍探测引力波的意义引力波探测与激光陀螺技术中国引力波探测 主要内容 1933年2月18日 加利福尼亚 爱因斯坦在圣塔芭芭拉骑自行车 15 LIGO 美国国家自然科学基金会于上世纪90年代在路易斯安娜州利文斯顿和华盛顿州汉福德各建造了一个激光干涉引力波天文台 LIGO 每个天文台都有两个长达4公里的测量臂 呈L型排列 大铝桶 基本原理是 如果引力波的频率跟铝桶的共振频率一致 就会引起它的显著收缩 拉伸 旁边的人叫JoeWeber 公认的引力波探索先驱 曾在1969年宣布 用这台机器测到了引力波 16 VIRGO 法国和意大利合作 在意大利PISA附近建造了VIRGO探测器 VIRGO的臂长是3000米 GEO 英国和德国合作 在德国Hannover附近建造了GEO600引力波探测器 它的臂长只有600米 17 KAGRA 在日本有一个Tama300探测器 位于东京附近的三鹰市 日本的国家天文台院内 臂长300米 日本科学家多年来一直致力于推动大型引力波探测 这个Kagra项目终于在2008年立项 2008年 在中科院力学所国家微重力实验室胡文瑞院士的推动下 中科院多个研究所及院外科研单位共同成立了科学院空间引力波探测工作组 目前在引力波方向的项目是 太极计划 天琴计划 阿里计划 18 各国多种的引力波探测器中 为什么是LIGO首先成功探测 21世纪人才最贵 19 黑科技 20 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 1 隔离震动 SeismicIsolation 主动减震 被动减震 21 两臂长的改变 引力波振幅 干涉仪臂长 激光干涉引力波探测利用了迈克尔逊干涉仪和激光干涉的基本原理真空中的光速保持不变 2 干涉 LaserInterferometer 用两个4km的F P腔反射400次 获得了等效1600km的光程引力波通过时引起两臂长度变化 从而输出干涉信号 22 激光越强 干涉产生的图样越清晰易测量 Step1 种子光808nm4W激光二极管LaserdiodeStep2 输出光1064nm200W非共面环形振荡 高功率振荡Non PlanarRingOscillator NPRO HighPoweredOscillator HPO Step3 最终光1064nm750KW能量循环镜 多谐振腔放大Powerrecyclingmirror 3 功率倍增器 OpticsSystem1 Laser 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 23 纯二氧化硅打造 每300万个光子入射 只有1个会被吸收 反射率99 999967 4 反射镜 OpticsSystem1 Mirrors 24 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 气压仅一万亿分之一个大气压 one trillionth 1 1 000 000 000 000atm 10 7Pa 5 真空 Vacuum 真空技术 1 加热150 170 30天2 涡轮真空泵Turbo pumpvacuums3 离子泵Ionpumps真空处理共40天1100小时 排出10 000m 空气 两个原因 1 消除空气分子流动传热 避免镜片受热变形 造成光线偏离2 消除任何灰尘进入激光腔 造成杂散光的可能 25 6 计算和数据搜集 ComputationandDataCollection 信息存储StoringinformationObserving模式下 LIGO每天产生1Tbytes 1000Gbytes的数据传送到Caltech MIT的超级计算机目前有1million张DVDs 每年增加178thousand张Caltech持有数据4 5Pb 每年增0 9Pb处理processingLIGOLab每次计算提供35MSU millionserviceunits 这相当于一台现代4核笔记本电脑运行1000年 26 什么是引力波引力波首次探测历程LIGO的技术介绍探测引力波的意义引力波探测与激光陀螺技术中国引力波探测 主要内容 1922年 爱因斯坦乘坐日本游轮北野丸号准备赴日讲学 图为爱因斯坦与妻子爱尔莎 27 引力波的发现意义重大 从科学意义上看 引力波可以直接与宇宙大爆炸连接 广义相对论中预言的引力波也可以产生于宇宙大爆炸中 这就是说大爆炸之初的引力波在137亿年后的今天仍然可以探测到 28 直接证据 验证广义相对论的正确性全新方法 观测和探索宇宙的新手段未来应用 可能用于宇宙间通讯武器 引力波有两个非常重要而且比较独特的性质 第一 不需要任何的物质存在于引力波源周围 这时就不会有电磁辐射产生 第二 引力波能够几乎不受阻挡的穿过行进途中的天体 比如 来自于遥远恒星的光会被星际介质所遮挡 引力波能够不受阻碍的穿过 29 什么是引力波引力波首次探测历程LIGO的技术介绍探测引力波的意义引力波探测与激光陀螺技术中国引力波探测 主要内容 1930年 爱因斯坦52岁与泰戈尔70岁具有思想家头脑的诗人 具有诗人头脑的思想家 两颗行星在对话 30 1 观测地震波信息2 固体地面潮汐效应3 引力波测量 地球的自转周期 空间干涉仪提供时间基准 时间精度 微秒 s 陀螺锁区 4 2 10 9 s 超大型激光陀螺 31 什么是引力波引力波首次探测历程LIGO的技术介绍探测引力波的意义引力波探测与激光陀螺技术中国引力波探测 主要内容 爱因斯坦于1950年2月14日发表电视声明 反对氢弹 也反对美国与苏联之间的军备竞赛 政治是暂时的 方程式是永恒的 科学维护和平 32 罗家伦 有人说检测引力波就像我在上海扔了一块石头 你在美国检测这块石头造成的波动 罗家伦如此形容探测工作的艰巨性 罗家伦这个名字本身就很霸气 这位戴眼镜的少年有一个同名前辈 乃是民国年间出身北大 为五四运动命名的清华首任校长罗先生 33 既然LIGO已经成功探测引力波 那么中国的探测是否还有意义 34 激光干涉空间天线 LaserInterferometerSpaceAntenna LISA 是一个由美国国家航空航天局 NASA 和欧洲空间局 ESA 合作的引力波探测计划 这将是人类第一座太空中的引力波天文台 35 引力波探测器分布图 36 宇宙交响乐 中国之音 37 中国引力波探测计划 38 太极计划 媒体见面会现场 太极计划 的负责人 微重力科学专家 中国科学院院士胡文瑞和中国科学院院士 中国科学院大学副校长 中国科学院卡弗里理论物理研究所所长吴岳良 太极计划 39 天琴计划 天琴计划研讨会 中大校长罗俊作科普介绍 天琴计划 基础设施项目奠基仪式 珠海市政府天琴计划基础建设一期工程 天琴计划 基础设施项目效果图 40 天琴计划 41 阿里计划 中科院高能物理研究所主导 目标是在地面探测原初引力波 阿里实验计划 负责人 研究员张新民 原初引力波太微弱 所以要选各种干扰尽量少的区域 目前 科学家在全球共选出了 个最佳观测点 南半球是南极和智利阿塔卡马沙漠 而北半球则在格陵兰岛和中国西藏阿里 阿里项目造价小 周期短 可