引力波探測(cè)

目錄
前言
第1章 引言 1
1.1 伽利略與近代科學(xué)的興起 1
1.2 牛頓和萬(wàn)有引力定律 3
1.3 愛(ài)因斯坦和廣義相對(duì)論 4
第2章 廣義相對(duì)論概述 7
2.1 廣義相對(duì)論的建立 7
2.1.1 引力質(zhì)量和慣性質(zhì)量 7
2.1.2 等效原理 8
2.1.3 高斯曲線坐標(biāo)和黎曼幾何 9
2.1.4 廣義相對(duì)性原理 10
2.1.5 引力場(chǎng) 11
2.2 引力場(chǎng)的數(shù)學(xué)描述 14
2.2.1 時(shí)空線元 14
2.2.2 測(cè)地線方程 15
2.2.3 黎曼曲率張量 15
2.2.4 引力場(chǎng)方程 16
2.3 引力場(chǎng)方程求解 16
2.3.1 球?qū)ΨQ引力場(chǎng)和施瓦西度規(guī) 17
2.3.2 后牛頓近似 17
2.4 廣義相對(duì)論的預(yù)言與檢驗(yàn) 17
2.4.1 行星近日點(diǎn)的剩余進(jìn)動(dòng) 17
2.4.2 引力紅移 19
2.4.3 光線偏轉(zhuǎn) 19
2.4.4 引力波 22
第3章 引力波理論基礎(chǔ) 23
3.1 引力輻射的產(chǎn)生 23
3.2 引力波方程 23
3.3 引力波的特性 26
3.4 引力波與電磁波的比較 28
3.5 統(tǒng)一場(chǎng)理論和引力場(chǎng)量子化 29
3.5.1 廣義相對(duì)論和量子力學(xué)的相容性 29
3.5.2 統(tǒng)一場(chǎng)理論 29
3.5.3 引力場(chǎng)量子化 30
3.6 引力波的可探測(cè)性 31
3.6.1 引力波強(qiáng)度估算 31
3.6.2 引力波對(duì)測(cè)試質(zhì)量粒子的作用 32
3.7 天體引力波源 33
3.7.1 致密雙星的旋繞與并合 33
3.7.2 黑洞 36
3.7.3 超新星爆發(fā) 38
3.7.4 中子星或黑洞形成 38
3.7.5 新生中子星的“沸騰” 39
3.7.6 坍縮星核的離心懸起 39
3.7.7 旋轉(zhuǎn)的中子星 39
3.7.8 超大質(zhì)量黑洞 41
3.7.9 隨機(jī)背景輻射 41
第4章 引力波的發(fā)現(xiàn) 45
4.1 引力波存在的間接證據(jù) 45
4.2 引力波的發(fā)現(xiàn) 47
4.2.1 第一個(gè)引力波事例 GW150914 48
4.2.2 第二個(gè)引力波事例 GW151226 55
4.2.3 第三個(gè)引力波事例 GW170104 57
4.2.4 第四個(gè)引力波事例 GW170814 58
4.2.5 第五個(gè)引力波事例 GW170817 61
4.3 雷納 韋斯， 巴里 巴里什和基普 索恩榮獲2017年度
諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng) 64
4.4 引力波天文學(xué)的特點(diǎn) 68
4.5 電磁輻射天文學(xué)和引力波天文學(xué)的關(guān)系 70
4.6 引力輻射天體源的定位 71
第5章 共振棒引力波探測(cè)器 72
5.1 共振棒引力波探測(cè)器的工作原理 72
5.1.1 引力波探測(cè)的興起 72
5.1.2 共振棒引力波探測(cè)器的工作原理 73
5.1.3 引力波作用下共振棒的振動(dòng) 73
5.1.4 共振棒從引力波吸收的能量 75
5.2 共振棒引力波探測(cè)器的基本結(jié)構(gòu) 76
5.2.1 共振棒 77
5.2.2 隔震系統(tǒng) 77
5.2.3 低溫系統(tǒng) 77
5.2.4 信號(hào)耦合與讀出——傳感器 78
5.2.5 宇宙線監(jiān)測(cè)器 81
5.2.6 環(huán)境監(jiān)測(cè) 81
5.3 共振棒引力波探測(cè)器的噪聲 81
5.3.1 共振棒的熱噪聲 82
5.3.2 電子學(xué)噪聲 82
5.3.3 電子學(xué)噪聲的反向作用 83
5.3.4 共振棒引力波探測(cè)器的總噪聲 84
5.4 共振棒引力波探測(cè)器的改進(jìn)與升級(jí) 85
5.4.1 光學(xué)傳感讀出系統(tǒng) 85
5.4.2 球形共振質(zhì)量引力波探測(cè)器 86
5.5 共振棒引力波探測(cè)器國(guó)際網(wǎng) 87
5.6 共振棒引力波探測(cè)器的發(fā)展歷程與實(shí)驗(yàn)結(jié)果 88
第6章 激光干涉儀引力波探測(cè)器的結(jié)構(gòu)和工作原理 91
6.1 第一代激光干涉儀引力波探測(cè)器 91
6.1.1 激光干涉儀引力波探測(cè)器的興起 92
6.1.2 大型激光干涉儀引力波探測(cè)器 LIGO 的建造 96
6.1.3 國(guó)際大型激光干涉儀引力波探測(cè)器網(wǎng) 99
6.2 激光干涉儀引力波探測(cè)器的工作原理 102
6.3 激光干涉儀引力波探測(cè)器的基本結(jié)構(gòu) 106
6.3.1 邁克耳孫干涉儀 107
6.3.2 光延遲線 114
6.3.3 法布里-珀羅腔 116
6.3.4 功率循環(huán)系統(tǒng) 127
6.3.5 激光器 132
6.3.6 清模器 141
6.3.7 法拉第光隔離器 145
6.3.8 激光干涉儀引力波探測(cè)器中的鏡子 147
6.3.9 隔震與鏡體懸掛系統(tǒng) 150
6.3.10 真空系統(tǒng) 173
第7章 激光干涉儀引力波探測(cè)器的噪聲和靈敏度 175
7.1 激光干涉儀引力波探測(cè)器的噪聲分析 175
7.1.1 地面震動(dòng)噪聲 175
7.1.2 光量子噪聲 175
7.1.3 熱噪聲 183
7.1.4 引力梯度噪聲 193
7.1.5 雜散光子噪聲 194
7.1.6 殘余氣體噪聲 194
7.1.7 激光干涉儀引力波探測(cè)器的噪聲曲線 194
7.2 激光干涉儀引力波探測(cè)器的靈敏度 195
7.2.1 引力波探測(cè)器的輸出信息 196
7.2.2 應(yīng)變幅度譜密度 196
7.2.3 傅里葉變換 196
7.2.4 譜密度 197
7.2.5 功率譜密度 197
7.2.6 靈敏度曲線 198
7.3 激光干涉儀引力波探測(cè)器的頻率響應(yīng) 199
7.3.1 線性系統(tǒng)的頻率響應(yīng) 199
7.3.2 歸一化頻率響應(yīng) 200
7.3.3 干涉儀的傳遞函數(shù) 200
7.3.4 具有法布里-珀羅腔的激光干涉儀引力波探測(cè)器的歸一化頻率響應(yīng) 201
7.3.5 具有光延遲線的激光干涉儀引力波探測(cè)器的歸一化頻率響應(yīng) 203
第8章 信號(hào)讀出與狀態(tài)控制 205
8.1 激光干涉儀引力波探測(cè)器的信號(hào)讀出 205
8.1.1 外差探測(cè) 205
8.1.2 零差探測(cè) 210
8.2 干涉儀工作狀態(tài)的控制與鎖定 211
8.2.1 龐德-德里弗-霍爾技術(shù) 212
8.2.2 干涉儀的鎖定與狀態(tài)控制 235
8.3 旁頻光場(chǎng)的產(chǎn)生 243
8.3.1 振幅調(diào)制 244
8.3.2 頻率調(diào)制 245
8.3.3 電光調(diào)制器和聲光調(diào)制器 248
8.4 激光干涉儀引力波探測(cè)器的刻度 256
8.4.1 促動(dòng)器系統(tǒng)的刻度 257
8.4.2 閉路傳遞函數(shù) 261
8.4.3 光學(xué)響應(yīng) 263
8.4.4 靈敏度 263
8.4.5 探測(cè)器響應(yīng)的監(jiān)測(cè) 264
第9章 引力波數(shù)據(jù)獲取與數(shù)據(jù)分析 266
9.1 數(shù)據(jù)獲取 266
9.1.1 數(shù)據(jù)獲取的硬件設(shè)備 266
9.1.2 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 267
9.1.3 數(shù)據(jù)道和數(shù)據(jù)單元 268
9.1.4 數(shù)據(jù)獲取的軟件系統(tǒng) 273
9.2 引力波數(shù)據(jù)分析 273
9.2.1 數(shù)據(jù)分析通用軟件工具 274
9.2.2 蒙特-卡羅模擬計(jì)算 274
9.2.3 波形分析 276
9.2.4 時(shí)間-頻率分析法 276
9.2.5 變化點(diǎn)分析法 280
9.2.6 關(guān)聯(lián)與符合技術(shù) 280
9.2.7 模板的應(yīng)用 283
9.2.8 匹配過(guò)濾器 286
9.2.9 2 時(shí)間-頻率甄別器檢驗(yàn) 288
9.2.10 毛刺排除 317
9.2.11 數(shù)據(jù)分析流水線 318
第10章 第二代和第三代激光干涉儀引力波探測(cè)器 324
10.1 激光干涉儀引力波探測(cè)器的升級(jí) 324
10.1.1 第一代激光干涉儀引力波探測(cè)器的設(shè)計(jì)目標(biāo) 324
10.1.2 第二代激光干涉儀引力波探測(cè)器的設(shè)計(jì)目標(biāo) 325
10.1.3 第三代激光干涉儀引力波探測(cè)器的設(shè)計(jì)目標(biāo) 326
10.2 激光干涉儀引力波探測(cè)器的升級(jí)改進(jìn)的主要方面 326
10.2.1 參量不穩(wěn)定性抑制 327
10.2.2 壓縮態(tài)光場(chǎng) 332
10.2.3 信號(hào)循環(huán) 351
10.2.4 地下干涉儀 375
10.2.5 低溫干涉儀 376
10.3 第二代激光干涉儀引力波探測(cè)器——高級(jí) LIGO 377
10.3.1 高級(jí) LIGO 的設(shè)計(jì)靈敏度和探測(cè)頻帶 377
10.3.2 高級(jí) LIGO 的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 379
10.4 地下和低溫引力波探測(cè)器 KAGRA 381
10.4.1 地下探測(cè)器 381
10.4.2 低溫探測(cè)器 382
10.4.3 KAGRA 的靈敏度 385
10.5 第三代激光干涉儀引力波探測(cè)器愛(ài)因斯坦引力波望遠(yuǎn)鏡 385
10.5.1 愛(ài)因斯坦引力波望遠(yuǎn)鏡的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 386
10.5.2 愛(ài)因斯坦引力波望遠(yuǎn)鏡可以研究的物理問(wèn)題 390
第11章 低頻引力波和高頻引力波探測(cè) 393
11.1 空間激光干涉儀引力波探測(cè)器 LISA 和 eLISA 393
11.1.1 空間引力波探測(cè)器的優(yōu)點(diǎn) 394
11.1.2 空間引力波探測(cè)器 LISA 的基本結(jié)構(gòu) 394
11.1.3 LISA 的工作原理 395
11.1.4 LISA 的噪聲 396
11.2 脈沖星計(jì)時(shí)陣列 398
11.2.1 脈沖星 398
11.2.2 脈沖星電磁輻射脈沖的觀測(cè)特征 399
11.2.3 脈沖星的距離測(cè)量 399
11.2.4 毫秒脈沖星引力波源 400
11.2.5 脈沖星計(jì)時(shí)技術(shù) 401
11.2.6 脈沖星計(jì)時(shí)引力波探測(cè) 403
11.3 宇宙微波背景輻射中的 B 模偏振測(cè)量 405
11.3.1 宇宙微波背景輻射 406
11.3.2 B 模偏振形態(tài) 410
11.3.3 BICEP2 412
11.3.4 塵埃效應(yīng) 418
11.4 高頻引力波的探測(cè) 418
11.4.1 宇宙學(xué)范圍和高能天體物理過(guò)程中產(chǎn)生的高頻引力波 418
11.4.2 高頻引力波的觀測(cè) 420
11.4.3 基于強(qiáng)磁場(chǎng)和弱光子流檢測(cè)的高頻引力波探測(cè)系統(tǒng) 421
11.4.4 觀測(cè)高頻引力波的科學(xué)意義 425
參考文獻(xiàn) 427
后記 441
彩圖
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