引力波探測

目錄
前言
第1章 引言 1
1.1 伽利略與近代科學的興起 1
1.2 牛頓和萬有引力定律 3
1.3 愛因斯坦和廣義相對論 4
第2章 廣義相對論概述 7
2.1 廣義相對論的建立 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 高斯曲線坐標和黎曼幾何 9
2.1.4 廣義相對性原理 10
2.1.5 引力場 11
2.2 引力場的數(shù)學描述 14
2.2.1 時空線元 14
2.2.2 測地線方程 15
2.2.3 黎曼曲率張量 15
2.2.4 引力場方程 16
2.3 引力場方程求解 16
2.3.1 球?qū)ΨQ引力場和施瓦西度規(guī) 17
2.3.2 后牛頓近似 17
2.4 廣義相對論的預(yù)言與檢驗 17
2.4.1 行星近日點的剩余進動 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)一場理論和引力場量子化 29
3.5.1 廣義相對論和量子力學的相容性 29
3.5.2 統(tǒng)一場理論 29
3.5.3 引力場量子化 30
3.6 引力波的可探測性 31
3.6.1 引力波強度估算 31
3.6.2 引力波對測試質(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 第一個引力波事例 GW150914 48
4.2.2 第二個引力波事例 GW151226 55
4.2.3 第三個引力波事例 GW170104 57
4.2.4 第四個引力波事例 GW170814 58
4.2.5 第五個引力波事例 GW170817 61
4.3 雷納 韋斯， 巴里 巴里什和基普 索恩榮獲2017年度
諾貝爾物理學獎 64
4.4 引力波天文學的特點 68
4.5 電磁輻射天文學和引力波天文學的關(guān)系 70
4.6 引力輻射天體源的定位 71
第5章 共振棒引力波探測器 72
5.1 共振棒引力波探測器的工作原理 72
5.1.1 引力波探測的興起 72
5.1.2 共振棒引力波探測器的工作原理 73
5.1.3 引力波作用下共振棒的振動 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 信號耦合與讀出——傳感器 78
5.2.5 宇宙線監(jiān)測器 81
5.2.6 環(huán)境監(jiān)測 81
5.3 共振棒引力波探測器的噪聲 81
5.3.1 共振棒的熱噪聲 82
5.3.2 電子學噪聲 82
5.3.3 電子學噪聲的反向作用 83
5.3.4 共振棒引力波探測器的總噪聲 84
5.4 共振棒引力波探測器的改進與升級 85
5.4.1 光學傳感讀出系統(tǒng) 85
5.4.2 球形共振質(zhì)量引力波探測器 86
5.5 共振棒引力波探測器國際網(wǎng) 87
5.6 共振棒引力波探測器的發(fā)展歷程與實驗結(jié)果 88
第6章 激光干涉儀引力波探測器的結(jié)構(gòu)和工作原理 91
6.1 第一代激光干涉儀引力波探測器 91
6.1.1 激光干涉儀引力波探測器的興起 92
6.1.2 大型激光干涉儀引力波探測器 LIGO 的建造 96
6.1.3 國際大型激光干涉儀引力波探測器網(wǎng) 99
6.2 激光干涉儀引力波探測器的工作原理 102
6.3 激光干涉儀引力波探測器的基本結(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器的噪聲和靈敏度 175
7.1 激光干涉儀引力波探測器的噪聲分析 175
7.1.1 地面震動噪聲 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器的噪聲曲線 194
7.2 激光干涉儀引力波探測器的靈敏度 195
7.2.1 引力波探測器的輸出信息 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器的歸一化頻率響應(yīng) 203
第8章 信號讀出與狀態(tài)控制 205
8.1 激光干涉儀引力波探測器的信號讀出 205
8.1.1 外差探測 205
8.1.2 零差探測 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器的刻度 256
8.4.1 促動器系統(tǒng)的刻度 257
8.4.2 閉路傳遞函數(shù) 261
8.4.3 光學響應(yīng) 263
8.4.4 靈敏度 263
8.4.5 探測器響應(yīng)的監(jiān)測 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-卡羅模擬計算 274
9.2.3 波形分析 276
9.2.4 時間-頻率分析法 276
9.2.5 變化點分析法 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 匹配過濾器 286
9.2.9 2 時間-頻率甄別器檢驗 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器 324
10.1 激光干涉儀引力波探測器的升級 324
10.1.1 第一代激光干涉儀引力波探測器的設(shè)計目標 324
10.1.2 第二代激光干涉儀引力波探測器的設(shè)計目標 325
10.1.3 第三代激光干涉儀引力波探測器的設(shè)計目標 326
10.2 激光干涉儀引力波探測器的升級改進的主要方面 326
10.2.1 參量不穩(wěn)定性抑制 327
10.2.2 壓縮態(tài)光場 332
10.2.3 信號循環(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器——高級 LIGO 377
10.3.1 高級 LIGO 的設(shè)計靈敏度和探測頻帶 377
10.3.2 高級 LIGO 的結(jié)構(gòu)特點 379
10.4 地下和低溫引力波探測器 KAGRA 381
10.4.1 地下探測器 381
10.4.2 低溫探測器 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器愛因斯坦引力波望遠鏡 385
10.5.1 愛因斯坦引力波望遠鏡的結(jié)構(gòu)特點 386
10.5.2 愛因斯坦引力波望遠鏡可以研究的物理問題 390
第11章 低頻引力波和高頻引力波探測 393
11.1 空間激光干涉儀引力波探測器 LISA 和 eLISA 393
11.1.1 空間引力波探測器的優(yōu)點 394
11.1.2 空間引力波探測器 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 脈沖星計時陣列 398
11.2.1 脈沖星 398
11.2.2 脈沖星電磁輻射脈沖的觀測特征 399
11.2.3 脈沖星的距離測量 399
11.2.4 毫秒脈沖星引力波源 400
11.2.5 脈沖星計時技術(shù) 401
11.2.6 脈沖星計時引力波探測 403
11.3 宇宙微波背景輻射中的 B 模偏振測量 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 418
11.4.1 宇宙學范圍和高能天體物理過程中產(chǎn)生的高頻引力波 418
11.4.2 高頻引力波的觀測 420
11.4.3 基于強磁場和弱光子流檢測的高頻引力波探測系統(tǒng) 421
11.4.4 觀測高頻引力波的科學意義 425
參考文獻 427
后記 441
彩圖
《現(xiàn)代物理基礎(chǔ)叢書》已出版書目 446