族谱网 头条 人物百科

激光干涉空间天线

2020-10-16
出处:族谱网
作者:阿族小谱
浏览:576
转发:0
评论:0
LISA结构LISA工作布局LISA由三个相同的航天器构成为一个边长为五百万千米的等边三角形,即每两个航天器之间的夹角为60°。LISA将采用的是与地球相同的日心轨道,并且LISA与太阳的连线,和地球与太阳的连线之间的夹角为20°,这种设计是为了尽可能减少地球引力造成的影响。在每一个航天器上都有两个完全相同的光学台,包含有激光光源、光学分束器、光检测器、光学镜组等组成干涉仪的光学器件,以及一系列进行数字信号处理的电子器件。由于每两个航天器之间的夹角为60°,每个航天器上的每一个光学台都会和相邻的航天器上的光学台发生干涉,激光走完这段航天器间隔的距离需要约16秒。在每个干涉仪的后面安置有一个作为“测试质量”的合金立方体(75%金和25%铂),其中一个表面被打磨成光滑的平面镜用来反射激光。理论上如果有引力波扫过测试质量,其位置的微小改变会引起干涉信号,即激光相位的改变,从这种相位变化即可推导出...

LISA结构

激光干涉空间天线

LISA 工作布局

LISA由三个相同的航天器构成为一个边长为五百万千米的等边三角形,即每两个航天器之间的夹角为60°。LISA将采用的是与地球相同的日心轨道,并且LISA与太阳的连线,和地球与太阳的连线之间的夹角为20°,这种设计是为了尽可能减少地球引力造成的影响。在每一个航天器上都有两个完全相同的光学台,包含有激光光源、光学分束器、光检测器、光学镜组等组成干涉仪的光学器件,以及一系列进行数字信号处理的电子器件。由于每两个航天器之间的夹角为60°,每个航天器上的每一个光学台都会和相邻的航天器上的光学台发生干涉,激光走完这段航天器间隔的距离需要约16秒。在每个干涉仪的后面安置有一个作为“测试质量”的合金立方体(75%金和25%铂),其中一个表面被打磨成光滑的平面镜用来反射激光。理论上如果有引力波扫过测试质量,其位置的微小改变会引起干涉信号,即激光相位的改变,从这种相位变化即可推导出观测到的引力波的存在。在实际设计中,这种测量精度要求测试质量所处的环境高度稳定,其位置能够不受到外界光压和太阳风粒子的影响;并且LISA的干涉测量系统也要高度灵敏,使得真正需要的引力波信号不至于淹没在激光频率噪声等干扰的海洋中。除此之外,LISA还需要解决如何应对航天器运行对激光频率造成的多普勒效应的影响,激光长距离传输的损耗问题,等等。LISA在实际运行中将达到能够在五百万千米的长度上探测到10皮米(1皮米等于10 米)量级的长度变化 。

LISA探测的引力波源

引力波

广义相对论

1915年爱因斯坦建立了广义相对论理论,广义相对论在理论上证明,平直时空的度规在微扰下应用爱因斯坦场方程可导出时空微扰的度规以四维波的形式传播。并且对一个具有四极矩的能量-动量张量应用爱因斯坦场方程将得到推迟势的格林函数解,这和电磁学中的电磁波解是类似的 。这些推导都从根本上预言了引力波的存在,这与十九世纪麦克斯韦应用他的麦克斯韦方程组预言电磁波的存在十分相似。但与之不同的是,从电磁理论建立到赫兹从实验上观测到电磁波只间隔了不到三十年的时间,而引力波从广义相对论建立以来直到2015年才被直接观测到,很重要的原因是与电磁相互作用相比引力相互作用强度十分微弱,而能产生较强的引力波的引力波源距地球都十分遥远,传播到地球的应力强度大约只有10 这个量级左右,这相当于在一百千米的长度上引起0.01皮米长度的变化,这种变化比原子核的直径还要小。

PSR 1913+16

1975年普林斯顿大学的拉塞尔·赫尔斯(Russel Hulse)和约瑟夫·泰勒(Joseph Taylor)发现了一颗编号为PSR 1913+16的脉冲星,这是一颗高速旋转并放出方向性很强的无线电波的中子星。每当无线电信号扫过地球时,接收机上就能接收到一个脉冲信号,脉冲星的这种特性可以用作天文学上的一种“量天尺”,用于精确测量其运动状态。经过对PSR 1913+16的一段时间的测量之后,人们发现它具有一个双星系统的轨道,其伴星可能是一颗不辐射无线电波的中子星。同时,这个伴星的质量以及双星系统的轨道参数也可以大概推算出来。同样,根据广义相对论理论,可以从中子星质量和轨道参数估算这个双星系统的引力波辐射的光度,这些辐射以能量的形式损耗,反映到系统运动轨道参量的变化。拉塞尔·赫尔斯和约瑟夫·泰勒对这个双星系统的轨道在1975年至1988年间进行了长时间的观测,其结果和广义相对论的预言符合得非常好,这个事实间接上证明了双星系统引力辐射的存在。拉塞尔·赫斯和约瑟夫·泰勒因此项工作于1993年获诺贝尔物理学奖,这是广义相对论的胜利 。

引力波探测器

尽管对双星系统的观测证明了引力波的存在,但人类始终没有直接观测到引力波到底是什么样,即如何用一个应力(或度规)的时间序列去描述。从二十世纪六十年代以来人类不断致力于引力波探测器的制造工作,起初的引力波探测器采用共振质量的方法但至今未获成功。 目前主流的引力波探测器都是基于迈克耳孙干涉仪的方法,利用激光的稳定性来获得高度灵敏稳定的干涉条件,从而达到对极度微小的引力波扰动实现观测的目的,这样的探测器包括德国的 GEO600 ( 英语 : GEO600 ) ,美国的激光干涉引力波天文台(LIGO,Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory),日本的 TAMA 300 ( 英语 : TAMA 300 ) ,意大利的处女座干涉仪(VIRGO),澳大利亚的AIGO等 。

为什么需要LISA

LISA探测的引力波波段范围为3×10 赫兹至10 赫兹,在这个波段范围内,当前基于地面观测的引力波天文台,例如美国的LIGO等探测器很大程度上受到地球上震动噪声的影响,很难达到所需要的探测灵敏度(地面引力波探测器由于干涉仪的臂长受限,无法达到能够探测低频引力波的精度), 因此将LISA置于空间中的原因即是能彻底消除地面震动噪声的干扰。现在已知的引力波源包括:银河系内的双星系统,以及河外星系中的极端质量比例旋(EMRI,指两个质量相差悬殊的天体组成的自旋系统)和超大质量黑洞的合并。 LISA如能够探测到这三类引力波源,其在3×10 赫兹频率上可探测的应力灵敏度将达到10 /√Hz。LISA也被寄希望于探测到大爆炸后早期宇宙的引力随机背景(stochastic background)辐射,尽管这种引力波源还没有被证实。

参阅

激光干涉空间天线开路者号


免责声明:以上内容版权归原作者所有,如有侵犯您的原创版权请告知,我们将尽快删除相关内容。感谢每一位辛勤著写的作者,感谢每一位的分享。

——— 没有了 ———
编辑:阿族小谱
发表评论
写好了,提交
{{item.label}}
{{commentTotal}}条评论
{{item.userName}}
发布时间:{{item.time}}
{{item.content}}
回复
举报
点击加载更多
打赏作者
“感谢您的打赏,我会更努力的创作”
— 请选择您要打赏的金额 —
{{item.label}}
{{item.label}}
打赏成功!
“感谢您的打赏,我会更努力的创作”
返回

更多文章

更多精彩文章
打赏
私信

推荐阅读

· 激光干涉引力波天文台
构造探测器采用迈克耳孙干涉仪和法布里-珀罗干涉仪的原理(吉莱-图努瓦干涉反射镜(英语:Gires–Tournoisetalon)),主要部分是两个互相垂直的长臂,每个臂长4,000米(13,000英尺),臂的末端悬挂着反射镜。管道采用不锈钢制成,直径1.2米(3英尺11英寸),内部真空度为10大气压。大功率的激光束在臂中来回反射大约50次,使等效臂长大大增加,形成干涉条纹。引力波会造成光程差发生变化,导致干涉条纹发生移动。历史LIGO汉福德探测器的北侧干涉臂引力波是爱因斯坦的广义相对论预言的一种时空波动,激光干涉引力波天文台设计目标是检测密近双星、超新星爆发、致密星的合并、宇宙弦、黑洞、中子星等天体物理过程中产生的引力波。20世纪60年代,美国科学家约瑟夫·韦伯建造了铝制的棒状引力波探测器,试图用共振(谐振)原理探测引力波,后来世界各国又陆续建造了一些棒状探测器,但是效果并不理想。1970...
· 天线
概述基于特定三维(通常指水平或垂直)平面,可以把天线分为两大基本类型:全向天线(在平面中均匀辐射)定向天线(又称指向天线,在某方向辐射较多)在自由空间内,任何天线都向各个方向辐射能量,但是特定的架构会使天线在某个方向上获得较大方向性,而其它方向的能量辐射则可以忽略。通过增加附加导体棒或线圈(称之为单元)并改变其长度、间距和方位(或者改变天线波束方向),可以制造出拥有既定特性的天线,如八木天线。“天线阵列”或“天线阵”是指相当数量的有源天线共用源或负载来产生定向的天线辐射方向图。天线的空间关系通常也会影响其方向性。“有源单元”是指此天线单元的能量输出由该单元内部的能量源所决定(而不是仅由通过电路的信号能量)或者该单元能量输出的能量源由信号输入所控制。“天线引入线”是在信号源和有源天线之间传输信号能量的传导装置(如传输线或馈线)。它由有源天线延伸出来直达源。“天线馈电”则是指有源天线和放大器之...
· 干涉
干涉的条件两列波在同一介质中传播发生重叠时,重叠范围内介质的质点同时受到两个波的作用。若波的振幅不大,此时重叠范围内介质质点的振动位移等于各别波动所造成位移的矢量和,这称为波的叠加原理。若两波的波峰(或波谷)同时抵达同一地点,称两波在该点同相,干涉波会产生最大的振幅,称为相长干涉(建设性干涉);若两波之一的波峰与另一波的波谷同时抵达同一地点,称两波在该点反相,干涉波会产生最小的振幅,称为相消干涉(摧毁性干涉)。激光的产生机理是受激辐射,它决定了激光本身即具有非常优秀的相干性。理论上,两列无限长的单色波的叠加总是能产生干涉,但实际物理模型中产生的波列不可能是无限长的,并从波产生的微观机理来看,波的振幅和相位都存在有随机涨落,从而现实中不存在严格意义的单色波。例如太阳所发出的光波出自于光球层的电子与氢原子的相互作用,每一次作用的时间都在10秒的数量级,则对于两次发生时间间隔较远所产生的波列而言...
· 激光
历史美国NIF国家点火设施。意图用多束激光集中高温产生可控核聚变爱因斯坦在1916年首先描述了原子的受激辐射与自发辐射的关系。在此之后人们很长时间都在猜测,这个现象可否被用来加强光场,因为前提是介质必须存在着群数反转(或译居量反转)的状态。在一个纯粹的二级系统中,这是不可能的达到基于热力学的分配函数。故人们首先想到用三级系统,而且计算证实了辐射的稳定性。1958年,美国科学家查尔斯·汤斯和阿瑟·肖洛发现了一种神奇的现象:当他们将氖光灯泡所发射的光照在一种稀土晶体上时,晶体的分子会发出鲜艳的、始终会聚在一起的强光。根据这一现象,他们提出了"激光原理",即物质在受到与其分子固有振荡频率相同的能量激发时,都会产生这种不发散的强光--激光。他们为此发表了重要论文,并分别获得1964年和1981年的诺贝尔物理学奖。肖洛和汤斯的研究成果发表之后,各国科学家纷纷提出各种实验方案,但都未获成功。1960年...
· 激光影碟
简介激光影碟尺码和12吋黑胶唱片相若,表面和音乐光盘相似。激光影碟机以激光读取预先刻录在碟片上的信号,并且转换成为视频信号(如PAL制式及NTSC制式)供电视机播放。于1980年代相对当时流行的家用录影系统录像带是颇昂贵的东西。激光影碟能够提供的视频质量接近广播电视,而且因为是非接触式读取的关系,没有录像带使用多次会造成视频变差的问题。很多人以为激光影碟使用了数字技术,但其实不论视频和声音都是使用频率调制的类比方式存储在影碟上。后期的NTSC影碟才真的可以将音轨以数字方式(主要是脉冲编码调变或DolbyProLogic)加载到碟上,PAL影碟则只能以数字或类比其中一种方法存储音轨。停产2009年1月15日,日本先锋公司宣布,将在最后一批3000部产品制造完成后,正式停产LD播放机。由于先锋数十年来一直是LD格式的最大厂商,这一消息也标志着LD格式的正式作古。在近30年时间里,先锋LD机的总...

关于我们

关注族谱网 微信公众号,每日及时查看相关推荐,订阅互动等。

APP下载

下载族谱APP 微信公众号,每日及时查看
扫一扫添加客服微信