引力波探测器共振质量探测器

“共振质量探测器”分为两类：“棒状探测器”与“球状探测器”。棒状探测器的灵敏度主要源自于圆柱体尖锐的共振频率，其半峰全宽通常只有一到几个赫兹。通常铝质圆柱体长约3米，共振频率大约在500赫兹至1.5千赫兹之间，质量约为1000千克，用细丝悬挂起来。当引力波照射到圆柱时，圆柱会发生谐振，继而可以通过安装在圆柱周围的压电传感器检测到。假设一个波幅为

共振质量探测器主要会遭遇到三种噪声:热噪声、传感噪声和量子噪声。为了要测量到引力波的波幅，必须尽量削减这些噪声。

原本的韦伯棒状探测器的运作温度为室温。为了削减热噪声，当今，最先进的棒状探测器之一AURIGA的运作温度为0.1K。

引力波探测器激光干涉仪

当今最具规模的激光干涉引力波天文台（LIGO）主要是由加州理工学院和麻省理工学院负责运行，它也是美国国家科学基金会资助的最大科研项目之一。LIGO在两个站点建造有三台探测器，在华盛顿州的汉福德（Hanford）建有双臂长度分别为4千米和2千米的两台探测器（LIGO Hanford Observatory，简称LHO），而在路易斯安那州的利文斯顿建有一台双臂长度为4千米的探测器（LIGO Livingston Observatory，简称LLO），相距汉福德3002千米。LIGO采用了多种尖端科技。LIGO的防振系统能够压抑各种振动，真空系统是全世界最大与最纯的系统之一，光学器件具备前所未有的精确度，能够测量比质子尺寸还小一千倍的位移，电算设施的高超功能足以处理庞大实验数据。。2002年起，LIGO正式启动数据采集工作，至2010年共执行了六次科学探测工作之后计划结束，最佳灵敏度已经达到10的数量级。

2009至2010年，LIGO升级为Enhanced LIGO并进行了第六次科学探测，即S6。其激光功率从10瓦特提高到30瓦特以上，探测范围可扩大8倍。在2010年与2015年之间，LIGO进行了名为“先进LIGO”（Advanced LIGO）的升级计划，简称aLIGO。2015年，aLIGO正式投入使用，激光功率从初始版LIGO的10瓦特提升至200瓦特左右，探测频带下限从40Hz延伸到10Hz，灵敏度比初始版LIGO高出10倍，这意味着aLIGO能够探测引力波的距离比先前高出10倍，探测范围也扩大1000倍以上，能够探测到的可能引力波波源比先前多出1000倍。

处女座干涉仪（VIRGO）位于意大利比萨附近，是一架双臂长度为3千米的地面激光干涉仪，所在地点也叫做欧洲引力波天文台（European Gravitational Observatory）。VIRGO自2007年起开始进行科学观测，并且参与了S5的最后部分探测工作，VIRGO具有和LIGO相媲美的灵敏度。在进行了大约五年，2千4百万欧元的升级之后的处女座干涉仪，称为“先进VIRGO”，于2017年8月1日正式加入LIGO两个探测器搜索引力波，这三个探测器共同运作应该能够较为精确地给出引力波波源的位置。

日本计划在2019年建成神冈引力波探测器（KAGRA），它的600米长的干涉臂被深埋在200米的岩石下，它的测试质量也会被降温至20K。物理学者认为，这两个手段将能减低噪声，因此提高灵敏度。

GEO600位于德国汉诺威，是双臂长度为600米的探测器，其工作带宽为50赫兹至1.5千赫兹。GEO600自2002年起开始科学探测。

最早实际投入运作的引力波探测器是1960年代美国马里兰大学的约瑟夫·韦伯制造的铝质实心圆柱，通常称为“棒状探测器”，是一种“共振质量探测器”。1969年，韦伯宣称他的探测器得到了可靠的结果，立刻引起轰动，但是后来的重复实验都得到了零结果。此后意大利、澳大利亚、美国的科学家相继建造了类似的铝质圆柱形探测器，有的采取了更复杂的减振、低温、真空等措施排除干扰，但是都没有得到令人信服的证据。

1962年，俄国物理学者麦可·葛特森希坦与弗拉基斯拉夫·普斯投沃特最早发表论文提议建造干涉仪来寻找引力波，可是，这点子并未获得重视。四年后，弗拉基米尔·布拉金斯基再度提出这点子，然而仍旧无疾而终。后来，约瑟·韦伯与莱纳·魏斯也分别独立发表出类似点子。韦伯的学生罗伯特·弗尔沃德在休斯研究实验室工作时，受到魏斯的鼓励，决定使用休斯研究实验室的经费来制造一台干涉仪。1971年，弗尔沃德首先建成臂长8.5m的雏型引力波干涉仪，经过150小时的探测以后，弗尔沃德报告，并未探测到引力波。

70年代，魏斯团队在麻省理工学院、汉斯·彼林团队在德国加兴的马克斯·普朗克研究所、朗纳·德瑞福团队在格拉斯哥大学，分别建成并且投入运行雏型引力波干涉仪。同时期，基普·索恩在加州理工学院组成了实验引力波团队。1979年，他特别从格拉斯哥大学聘请德瑞福来领导这团队，并且建造引力波干涉仪。1983年，在加州理工学院，索恩与德瑞福联手建成一台40m臂长的引力波干涉仪。在麻省理工学院的魏斯团队，由于申请到较少实验经费，只能建成一台1.5m臂长的引力波干涉仪。两个团队激烈地兢争，试图计划与建造更灵敏、更先进的引力波干涉仪。1984年，为了更有效率地运用有限资源，加州理工学院与麻省理工学院同意合作设计与建造激光干涉引力波天文台（LIGO），并且由基普·索恩、朗纳·德瑞福与莱纳·魏斯共同主持这计划。

1999年，在路易斯安那州的利文斯顿与在华盛顿州的汉福德分别建成相同的探测器。2002年正式进行第一次探测引力波，2010年结束搜集数据。在这段时间内，并未探测到引力波，但是整个团队获得了很多宝贵经验，灵敏度也越加改善。在2010年与2015年之间，LIGO又经历大幅度改良，升级后的探测器被称为“先进LIGO”（aLIGO），于2015年再次开启运作。

另外，还有一些正在建造或运作中的地面干涉仪，例如，法国和意大利合作建造的处女座干涉仪（VIRGO）（臂长3000米）、德国和英国合作的GEO600（臂长600米）、以及日本正在建造中的神冈引力波探测器（KAGRA）（臂长3000米）等。另外，欧洲空间局（ESA）正在建造未来在太空中运行的激光干涉空间天线（LISA），其将会被用来探测低频引力波信号。

经过多年不懈努力，LIGO科学团队与VIRGO团队终于在2015年9月14日探测到两个黑洞并合所产生的引力波。之后，在2015年12月26日、2017年1月4日、2017年8月14日分别三次探测到两个黑洞并合所产生的引力波，又在2017年8月17日探测到两个中子星并合所产生的引力波事件，这标志着多信使天文学的新纪元已经来临。

LIGO 使用的干涉仪是迈克耳孙干涉仪，其应用激光光束来测量两条相互垂直的干涉臂的长度差变化。在通常情况下，不同长度的干涉臂会对同样的引力波产生不同的响应，因此干涉仪很适于探测引力波。在每一种干涉仪里，通过激光光束来量度引力波所导致的变化，可以用数学公式来描述；换句话说，假设从激光器发射出的光束，在传播距离L之后，被反射镜反射回原点，其来回过程中若受到引力波影响，则行程所用时间将发生改变，这种时间变化可以用数学公式来坐定量描述。

更仔细地描述，假设一束引力波是振幅为h的平面波，其传播方向与激光器的光束传播方向的夹角为

伯纳德·舒尔茨把这一公式称作“三项公式”，其为分析所有干涉仪对信号响应的出发点。单径系统也可以使用三项公式 ，但其灵敏度是被时钟的稳定性所限制。干涉仪的两条干涉臂可以相互用来当做时钟比较，因此，干涉仪是非常灵敏的光束探射器。

假设干涉臂长超小于引力波的波长，则干涉臂与引力波相互作用的关系可近似为

假设引力波传播方向垂直于光束传播方向，即两者之间的夹角为{\displaystyle heta =\pi /2}，则三项公式变为

注意到这导数只跟返回时的引力波振幅

因此，只要能够量度返回电磁波的红移，则可估算引力波振幅的改变。假设干涉臂长超小于引力波的波长，则干涉臂与引力波相互作用的近似关系式为

引力波对于干涉仪所产生的响应是这两个关系式的差值：

LIGO的长度为4千米的干涉臂由振幅为10的引力波所引起的长度变化为：