雷射干涉重力波天文台

雷射干涉引力波天文台（英語：Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，縮寫：LIGO）是探測引力波的一个大規模物理實驗佮天文觀測台，其佇美國華盛頓州的漢福德佮路易斯安彼州的利文斯頓，分別建有雷射干涉儀。利用兩个差不多完全仝款的干涉儀共同進行篩檢，會當大幅度減少誤判假引力波的可能性。干涉儀的靈敏度誠懸，即使臂長為四千米的干涉臂的長度發生任何變化小至質子的電荷直徑的萬分之一，攏會使予精確來這个所在。

LIGO 是由美國國家科學基金會（NSF）助贊，由加州理工學院佮麻省理工學院的物理學者基普 ・ 索恩、朗納 ・ 德瑞佮萊納 ・ 魏斯領導創建的一个科學項目，兩个學院共同管理佮營運 LIGO 的日常操作。佇二空空二年到二空一空年之間，LIGO 進行了幾若改的探測實驗，蒐集到大量的數據，猶毋過並無探測到引力波。為著提升探測器的靈敏度，LIGO 佇二空一空年停止運作，進行大幅度改良工程。二空一五年，LIGO 重新正式探測引力波。LIGO 科學協作負責組織參與該項目的人員，估計全球約有千外个科學家參與探測引力波，另外咧，佇二空一六年十二月約有四十四萬名活跳的 Einstein @ Home 用戶。。

佇二空一六年二月十一，LIGO 科學協作佮 Virgo 協作共同發表論文表示，佇二空一五年九月十四檢測著引力波信號，其源自離地球差不多十三億光年處的兩个質量分別為著三十六日頭質量佮二十九日頭質量的烏空併合。因為乎「著 LIGO 探測器佮重力波探測的決定性貢獻」，索恩、魏斯佮 LIGO 主任巴里 ・ 巴里啥物榮獲二空一七年諾貝爾物理學獎。

歷史

引力波是時空的曲痀。一九一五年，欲因斯坦應用廣義相對論來預測引力波的存在，就算講伊懷疑引力的波敢有予人類發現，因為引力波的波幅非常微細，並且引力波佮物質的被合誠微弱。一百年了後，二空一五年九月十四。雷射干涉引力波天文台（LIGO）總算是直接探測到引力波。LIGO 的建造目的是直接探測到引力波，對開始引進波天文學學術領域。LIGO 想欲探測像超新星爆發、兩个烏空合做伙、兩个中子星合併等等強勁引力波源所產生的引力波。

俄國物理學者麥可 ・ 葛特森希望望望望望望 ・ 普斯投沃特上早佇咧一九六二年發表論文提議建造干涉探測器來探測引力波，但是這个構想並無得著重視。四冬後，佇咧扶拉基米 ・ 布拉金斯基再度提出此構想，毋過猶原無意無意。後來，約瑟 ・ 韋伯佮萊納 ・ 魏斯嘛分別捌獨立發表出類似構想。韋伯的學生羅伯特 ・ 沃水德佇休斯研究實驗室工作時陣，受著萊納 ・ 魏斯的鼓勵，決定欲使用休斯研究實驗室的經費來製造一台干涉儀。一九七一年，抹爾沃德頭先起做臂長八堵五 m 的外型引力波干涉儀，經過百五點鐘一的探測以後，抹爾沃德報告，並無探測到引力波。

七空年代，魏斯團隊佇麻省理工學院、漢斯 ・ 那個林團隊佇德國多興的馬克斯 ・ 普朗克研究所、朗納 ・ 德瑞福團隊佇格拉斯哥大學，分別建成並且投入運行外型引力波干涉儀。仝時期的，基普 ・ 索恩佇加州理工學院組成引力波實驗團隊。一九七九年，伊特別從格拉斯兄大學聘請德瑞福來領導這團隊，並且建造引力波干涉儀。一九八三年，起做一台四十 m 臂長的引力波干涉儀。佇麻省理工學院的魏斯團隊，因為實驗經費較欠缺，干焦會當起做一台一鋪五 m 臂長的引力波干涉儀。兩个團隊激烈地橛爭，想欲佇這个計畫佮製造閣較靈敏、閣較先進的引力波干涉儀。一九八四年，為著更加有效率地運用有限資源，加州理工學院佮麻省理工學院同意聯合設計佮建造雷射干涉引力波天文台（LIGO）， 而且由基普 ・ 索恩、朗納 ・ 德瑞佮萊納 ・ 魏斯共同主持這个計畫。

一九九空年，美國國家基金會批准矣 LIGO 計畫。隔轉年，美國國會開始撥款予 LIGO 計畫。ua年，揀定佇路易斯安彼州的利文斯頓佮佇華盛頓州的漢福德分別建造相仝的探測器，互相距離了三千 khí-looh。這是為著欲利用互相關的特性來過濾信息，只有兩个探測器同時檢測著的信息才有可能是引力波的信號。一九九四年，加州理工學院教授巴里 ・ 巴里啥物予人委派做 LIGO 主任。伊建議，LIGO 應該設計為一台會當繼續演進的探測器，任何零件攏會當真容易的進行改良。佇伊的領導下，開始建造 LIGO，一九九九年完工。二空空二年正式進行頭一擺探測引力波，二空一空年結束蒐集數據。佇這段時間內底，並無探測到引力波，但是累積真濟寶貴的實際運作經驗，探測器的靈敏度嘛愈來愈增加。

佇二空一空年佮二空一五年之間，LIGO 閣進行矣大幅度改良，升級了的探測器予人號做「先進 LIGO」（aLIGO）。 到二空一五年九月中旬，「 世界上大的引力波設施」已經完成矣費時五年，開兩億美金的檢修，總成本達到六板二億美金，成做有史以來由 NSF 上大規模、上蓋雄心猛的項目。佇二空一五年九月十八，閣再開啟正式觀測。這陣，先進 LIGO 的靈敏度已經是初初 LIGO 的約四倍左右，伊的靈敏度會進一步提升，一直到二空二一年左右達到設計的靈敏度。

二空一六年二月十一號，LIGO 科學團隊佮處女座干涉儀團隊宣布，人類佇咧二空一五年九月十四頭一擺直接探測著重力波。所探測著的重力波源自雙烏空併合。兩个烏框分別估計為二十九佮三十六倍太陽質量。仝年六月十五，兩个團隊閣共同發佈聲明表示，第二改直接探測著引力波，其發生佇二空一五年十二月二十六號。對分析相關探測的信號，學者認為，該事件是由兩个質量分別為十四分二 ( + 八堵三 , − 三-c七 ) M⊙ 佮七堵八 ( + 二嬸三 , − 二嬸三 ) M⊙ 的烏空敆做伙所造成，其發生地點離地球有十四億光年之遠。利文斯頓探測器先探測著引力波，一孵一 msec 了後，漢福德也探測著引力波。佇一秒鐘的探測期內，信號頻率對三十五 Hz 升懸至四百五十 Hz。這併合事件予人號名做「GW 十五孵一千兩百二十六」。 這探測結果閣較證實廣義相對論。

任務

對上早起，NSF 就已經允准 LIGO 從事直接探測源自於宇宙的引力波，並且開啟引力波天文學這門新興學術領域。LIGO 實驗室的任務為：

• 探測引力波源。
• 操作 LIGO 設施，提供相關服務予國內佮國際科學團隊。
• 發展先進探測器所需要的基礎科學佮技術來達到佮開拓干涉儀的功能佮盡磅。
• 援助關於引力波天文學的科學教育，積極策劃佮鼓勵大眾參與相關活動。
• 成功完成先進 LIGO 計畫。

LIGO 落去做演化

對上早的計畫開始，LIGO 就毋捌予人預定做一个單一實驗，顛倒是一个不斷進步、精益求精的天文台，其涉著誠濟世代愈催靈敏的引力波探測器的發展佮運作。

初初 LIGO

初初 LIGO 有三个特別設計的邁克耳孫干涉儀分別裝佇咧兩个天文台：佇華盛頓州漢福德區的天文台有兩个干涉儀 H 一佮 H 二，其干涉臂長分別是四千米佮兩千米，佇咧路易斯安彼州利文斯頓的天文台有一个干涉儀 L 一，其干涉臂長做四千米。除了講著干涉臂長度以外，三个干涉儀差不多完全仝款。按呢裝置的目的佇咧排除各種當地的噪音聲。因為干涉儀的天線方向圖誠闊，引力波源的定位需要上無使用三个探測器來做三角定位。

初初 LIGO 試圖探測佇四十五七千 Hz 一直紮和波幅小至十二十一的引力波。建造遮爾仔靈敏的探測器是一件極具挑戰性的工課：若是欲達到設計標準的應變靈敏度十二十一，著愛會當探測著十八米的干涉臂長度的變化，這比質子的閣較細隻一千倍！探測器必須採用超特穩定雷射器、上尖的干涉儀技術、前沿光學材料、偌層震動隔離等等，才有法度達成這个目標。

主雷射器是一種半導體phóng-phuh咧固體雷射 Nd : YAG 系統，會當提供差不多十瓦特頻率穩定佮震幅穩定的連紲波雷射，其實模態做 TEM 零高斯空間模態，波長為一千空六十四 nm。雷射束首先會通過電光調製器進行相位調製。了後，雷射束才會進入 LIGO 真空系統。所有干涉儀的光學組件佮光束的路徑攏予人封閉佇超高真空系統（壓強約是十石八鋪十九托爾）之內，這是為著減少光波佮殘餘氣體粒仔散射所造成的相位起落。佇咧真空的雷射束，佇咧經過輸入模態清除器進行高階空間模態的過濾了後，才會當進入干涉儀。

初初 LIGO 的干涉儀主要有一个五十分之五十分光器佮兩个終端測試質量。測試質量的另外一个功能是反射光束的反射鏡。雷射束被分光器分離做兩个雷射束，分別傳播佇咧兩个干涉臂，一直到被終端測試質量反射回分光器，兩个雷射束佇分光器產生干涉現象。假設兩條路徑的程差予兩个雷射束佇對分光器通向光探測器之間的輸出支路產生相消性干涉，是光探測器袂量度到雷射束的輻照度。當有任何引力波通過干涉儀時，干涉臂就會因應變響應出現長度變化，對佗使程差去予人改變，因此光探測器會磅度到雷射束的輻照度有所改變。

予定引力波訊號，干涉臂的上優長度是引力波波長的四分之一，按呢乎，光束會使佇咧干涉臂內傳播半禮拜時間，比如講，假設引力波的頻率做一百五十 Hz，是波長為了兩千米。LIGO 干涉儀的干涉臂長做四千米，為著欲達到約一百倍的有效臂長，會當使用法布里-琥羅空腔，其是由「輸入測試質量」佮終端測試質量這兩个反射鏡所形成，會當儉光束佇咧干涉臂內。另外閣有一種號做「功率閣循環」的技術。假影干涉儀佇通向光探測器的輸出支路出現相消性干涉時，是干涉儀對輸入雷射的功能就親像複合鏡一般。應用這個性質，如圖所示，佇輸入口佮分束器之間裝設一个功率閣循環鏡，著愛會曉形成一个光學空腔，其中有效地增加輸入雷射功率四十倍，顛倒增加探測器的靈敏度，因為輸入雷射功率的平方根佮靈敏度成正比。

初初 LIGO 測試質量是圓筒形的高品質熔凝石英，質量約是十 kg，為著欲達到定的光學性質，外表糊幾若層四分之一波長的介電材料。輸入測試質量的塗層會吸收雷射，因為產生熱力形變，這會當用二氧化碳雷射器系統矯正轉來。為著隔離干涉儀，降低干涉儀所拄著的地噪聲，每一个測試質量攏會用鐵線吊佇咧拄仔固支承架，其閣予人固定佇四層消極震動隔離平台。

佇低於四十 Hz 的頻帶，地板聲限制矣干涉儀的靈敏度。佇四十二百 Hz 的頻帶，排系統的熱燥聲是阻礙靈敏度改善的因素。佇懸過兩百 Hz 的頻帶，則必須降低散粒噪聲，靈敏度才有法度改善。

經過五年來努力，佇這期間各種的儀器的敏度被改善幾个數量級，佇二空空五年，初初 LIGO 總算達到設計靈敏度。對二空空五年十一月到二空空七年九月，初初 LIGO 繼續會當設計靈敏度運作佮蒐集數據進行第五擺科學運行（S 五）。 對這改的實驗，佇咧上靈敏頻率的一百 Hz 頻帶內，攏愛根應變噪音已經壓到進前無的平均三 × 十二十二。

增進 LIGO

二空空七年，佇咧 S 五完成了後，初初 LIGO 的真濟功能攏去予加較適度提升，因為所牽涉著的工程有限，只需要欲初一 LIGO 的設備會當小可仔改良，毋免完全拆掉這馬有設備，就會當達到提升功能的目的。改良了後的天文台號做「增進 LIGO」，其意圖提升靈敏度為初 LIGO 的二倍，提升這个宇宙探測容內底是初初 LIGO 的八倍。增進 LIGO 閣會檢試幾个決定先進 LIGO 成功佮敢的關鍵技術，對而且降低先進 LIGO 失敗的風險，提懸先進 LIGO 成功的可能性。以下是加入去 LIGO 主要的技術改善：

• 為著欲增加探測器的靈敏度，增進 LIGO 提升雷射器的功率，共雷射器的功率對十瓦特提升到三十五瓦特。
• 為著減少散粒噪聲，引力波所造成的響應的讀取方式，對「射頻讀取」予人改變做「直接轉換讀冊」。
• 為著防止高階模態光波入射至光探測器，佇輸出口進前，裝置了輸出模態清除器。

因為對初初 LIGO 的改良，增進 LIGO 佇最靈敏頻率的靈敏度實際提升了約百分之三十。增進 LIGO 佇二空空九年七月至二空一空年十月進行了第六改科學運行（sixth scientific run , S 六）， 對分析得著的數據，雖然無揣著引力波的信號，毋過猶原推論出一寡有意思的天文物理學結果。

先進 LIGO

二空一空年，咧增進 LIGO 結束 S 六運作了後，伊所使用的第一代干涉儀予完全拆掉，這是為著欲清空位置來安裝先進 LIGO 的第二代干涉儀。按照設計規格，先進 LIGO 的靈敏度會比初 LIGO 懸出十倍，所以意味就先進 LIGO 走揣引力波的探測半徑會比早前較懸出十倍，探測範圍嘛會擴大一千倍以上，會當探測著的引力波源比進前愛閣加出一千倍，並且，探測頻帶下限閣較闊地對四十 Hz 降低到十 Hz。具備有按呢辜寬敏度的先進 LIGO，專家預測，每年應該會當探測著十幾个幼路雙星併合事件。但是為著欲達到設計靈敏度，代價無菲，干涉儀的差不多每一个組件攏愛予人換，新安裝的組件是經過嚴格測試證實功能閣較優良的高端科技產品。佇低頻區，頂級的震波隔離技術佮測試質量吊掛技術貢獻出高靈敏度；佇中頻區佮高頻區，閣較懸的雷射器功率、閣較大 sài-sù 閣較大質量的試質量、改良的鏡層是致使高靈敏度的關鍵因素。

就親像初初 LIGO，先進 LIGO 嘛使用配備矣法布里－琥羅空腔的功率再循環式邁克耳孫干涉儀。除了這以外，先進 LIGO 閣佇咧干涉儀的輸出口裝置矣「信號閣循環鏡」，其會使調配被散粒噪音所限制的靈敏度。對逐種無仝款的引力波源，該技術會使客製地予出優化的靈敏度。

為著促使被散粒噪音限制的靈敏度得著改善，輸入雷射器的功率被增加到上大一百八十瓦特，猶毋過佇 O 一干焦使用二十瓦特，干涉臂的雷射循環功率嘛對初 LIGO 的十千瓦特增加到一百千瓦特，未來欲增加到七百五十千瓦特。初初 LIGO 使用直徑二十五 cm、質量十一 kg 熔凝石英做試質量，為著降低熱噪音，先進 LIGO 將測試質量的直徑增加做三十四 cm，為著壓抑是輻射壓強噪音聲到相當的懸頂掛熱燥聲的圳平，先進 LIGO 閣將測試質量的質量增加做四十 kg。熔凝石英纖維將測試質量吊掛佇半空中，這設計予得會當供探測頻率拓寬到十 Hz 以上。為著欲達到先進 LIGO 的設計靈敏度，頻率十 Hz 以上的地面運動被壓壓制十个數量級：懸掛測試質量的濟階排系統會使減弱地面運動七个數量級，安置這真濟階排系統的主動控制震波隔離平台閣較嚴重閣三个數量級。

二空一五年九月，經過五冬的重新設計佮重新建造的工課，了兩億的美金，第一擺觀測運行（first observation run , O 一）正式開始。這改，實驗的範籌已經大幅度的改變，足濟天文學術界團隊攏參與鬥鬧熱，先進 LIGO 會當通知全世界七十四座觀測天文台中的任何幾座觀測天文台，只需要片刻，𪜶就會當共望遠鏡相準天頂，走揣可能引力的波源所發射出的光信號。雖然猶未達到設計標準靈敏度，先進 LIGO 的靈敏度已經改善為初 LIGO 的三倍。所以意味就先進 LIGO 會當探測著三倍遠的距離，探測容積做初初 LIGO 的二十七倍。佇探測器上靈敏的一百-三百 Hz 頻帶，O 一的應變燥聲比 S 六低三至四倍，佇咧五十 Hz 頻率，應變燥聲的改善接近一百倍。

佇咧 O 一實驗內底，LIGO-Virgo 聯合團隊觀測著兩擺引力波事件 GW 十五孵空九百一四和 GW 十五孵一千兩百二十六。另外一遍事件 LVT 十五五五一千空一十二發生佇二空一五年十月，毋過因為信噪音比過低，所以無去予人確認為引力波事件。O 一實驗了後，觀測行動停止十個月，這是為著欲進行這系列升級工程，所以，利文斯頓設施的靈敏度得著十五–百分之二十五改良，漢福德設施的靈敏度並無得著改良。總體來講，先進 LIGO 的探測半徑 O 一實驗的四十–八十 Mpc 擴大到第二擺觀測運行（second observation run , O 二）的目標八十–百二 Mpc 的低端。

第二擺的觀測運行 O 二的觀測期是對二空一六年十一月到二空一七年八月二五。因為測試質量吊掛系統發生問題，一直到二空一七年八月初一，Virgo 才正式開始參與合作觀測，這改攏總參與過二十五號。O 二期間，閣觀測著三改引力波事件 GW 十七孵空一百空四、GW 十七堵空八百一十四和 GW 十七孵空八百一十七。特別值得講的是，GW 十七分空八百一十七是兩个中子星併合所產生的引力波事件，因為引力波和電磁波頭一擺同時被觀測著，這標誌著偌批使天文學的新紀元已經到臨。

未來，會完成閣較濟觀測實驗，之間，嘛會進行真濟擺升級的工程，目標是佇二空二一年達到設計靈敏度。

未來

「 LIGO-印度」是倡議中的 LIGO 實驗室佮印度引力波觀測組織（INDIGO）之間擬議的合作項目，旨佇印度打造世界級的引力波探測器。

二空二四年欲升級到 Advanced LIGO Plus，簡稱 ALIGO +，擴大探測的範圍。

參見

• 愛因斯坦望遠鏡-歐洲第三代引力波探測器。
• Einstein @ Home-會當下載的分布式志願者計算程序會當幫助 LIGO / GEO 團隊分析數據。
• 廣義相對論的實驗證
• 引力波天文學
• GEO 六百-位佇德國漢諾瓦的一个引力波探測器。
• 處女座干涉儀-靠近義大利比薩，一个類似 LIGO 的干涉儀。

外部連結

• LIGO Scientific Collaboration web page
• LIGO Laboratory
• LIGO News blog
• Living LIGO blog : answering questions about LIGO science and being a scientist by LIGO member Amber Stuver
• Advanced LIGO homepage
• Caltech's Physics 兩百三十七孵二千空二 Gravitational Waves by Kip Thorne Video plus notes : Graduate level but does not assume knowledge of General Relativity , Tensor Analysis , or Differential Geometry ; Part 一 : Theory ( 十 lectures ) , Part 二 : Detection ( 九 lectures )