引力波刷爆網路的同時，我們來點不一樣的科普

自北京時間16日22時（美國時間16日10時），美國激光干涉引力波天文台（LIGO）、歐洲處女座（Virgo）引力波探測器、我國中科院紫金山天文台以及世界各地70多家天文台的科學家代表，共同宣布人類首次探測到來自雙中子星併合的新型引力波，並「看到」這次併合事件發出的電磁信號開始，各網站就被雙中子星併合的美圖刷爆了。這麼厲害的現象是怎麼被發現的呢？接下來我們就扒一扒同樣厲害的觀測儀。

雙中子星併合藝術圖。圖片來源：Robin Dienel/The Carnegie Institution for Science

LIGO（laser interferometer gravitational wave observatory）是藉助於激光干涉儀聆聽來自宇宙深處引力波的大型研究儀器。LIGO由兩個干涉儀組成，分別位於相距3000km的美國南海岸Livingston和美國西北海岸Hanford。

LIGO Livingston干涉儀。圖片來源：LIGO Caltech

原理

LIGO探測器採用邁克耳孫干涉儀和法布里-珀羅干涉儀的原理，主要部分是兩個互相垂直的長臂。每臂由直徑為1.2m的真空鋼管組成,每臂長4km，臂末端懸掛反射鏡。大功率的激光束在臂中來回反射大約50次，在多次反射後，等效臂可以達到幾千公里，形成干涉條紋。

帶法布里-珀羅腔的邁克爾孫干涉儀（黑點為探測器）。圖片來源：LIGO Caltech

在光學方面，LIGO探測儀用到高功率的連續穩定激光、加工極為精細的低吸收鏡子以及FP腔和功率循環腔；在機械方面，LIGO探測儀用到真空技術以及被動阻尼和主動阻尼的隔震技術。

真空技術

LIGO擁有地球上最大和最純凈的持續真空吸塵器。在體積上，只有瑞士的大型強子對撞機才能超過它。LIGO真空管內的氣壓是海平面氣壓的一萬億分之一。LIGO需要如此好的真空環境，原因有兩個。

空氣（甚至只是幾個空氣分子）會產生雜訊，掩蓋我們試圖探測的鏡子之間的微小的變化。空氣撞擊鏡子的分子時會使鏡子分子移動，遮蔽引力波。由於空氣具有「折射率」，激光光路中殘留的空氣會改變光路路徑，就像玻璃透鏡改變光路路徑一樣。即使只有幾個空氣分子通過激光光束都會影響反射鏡之間的視距離，再次掩蓋通過引力波的微妙影響。

真空操作可消除灰塵進入激光路徑的機會，甚至是鏡麵灰塵導致的光散射。

如果沒有如此高質量的真空環境，LIGO中的激光將被吸收、偏轉，產生不必要的干擾模式，這種模式可能產生錯誤的結果或是淹沒來自引力波的信號。失去任何激光光子都可能削弱LIGO探測引力波的能力。

部分暴露的LIGO Livingston真空管。圖片來源：LIGO Caltech

主動阻尼和被動阻尼

防止振動的第一道防線是LIGO的主動阻尼系統（內部地震隔離系統）。該系統由感知地面運動的裝置組成。裝置中的感測器感知不同頻率的環境振動，並將信號發送到一台計算機，計算機結合所有這些運動的影響，產生一個凈反運動來消除所有的振動，以保持儀器無運動。這類似於雜訊消除耳機的工作原理。

主動阻尼平台。圖片來源：LIGO Caltech

主動阻尼系統之下是被動阻尼系統。LIGO的被動阻尼系統由被稱為「四核」的四級倒立擺組成。一、二級擺是扁平的金屬結構，三級擺是倒數第二塊（叫這名我也很無奈），四級擺是測試塊（反射鏡）。三、四級擺由0.4mm的熔融石英（玻璃）纖維懸掛。「主鏈」側接收激光光束，而「反應鏈」側有助於保持測試塊的穩定，遠離與空間來源無關的雜訊。此配置可吸收主動系統未完全消除的任何移動。由於慣性定律，懸掛部件的絕對重量(每個反射鏡重40kg)也有助於防止反射鏡的運動。

這些主動和被動的減振系統共同工作，確保LIGO的激光器和反射鏡隔離外部雜訊和物理振動。

被動阻尼。圖片來源：LIGO Caltech

番外

雙中子星併合事件是宇宙中大部分超重元素的起源。這張由加州理工學院提供的圖片顯示，元素周期表中，亮黃色部分為中子星併合過程中產生的元素。已知的8種貴重金屬依次為：金（Au）、銀（Ag）、釕（Ru）、銠（Rh）、鈀（Pd）、鋨（Os）、銥（Ir）、鉑（Pt）。看來，這次雙中子星併合甩出來的是一座座大金礦呢！

元素周期表。圖片來源：新華網

想要得到各種新發現、新發明，當然少不了精密的儀器和機械裝置。我國不僅參與著類似引力波這樣的高深探索研究，而且正在拓展一切渠道大力培養新一代的接班人，比如，今年舉辦的「中國機械行業卓越工程師教育聯盟首屆畢業設計大賽」。為了培養大學生解決工程問題的能力，提高機械專業學生的創新思維能力，「中國機械行業卓越工程師教育聯盟2017年理事大會」於10月14日在西安舉行，會議總結了5月20日由大連理工大學舉辦的首屆卓工聯盟本科畢業設計大賽的成果，並介紹了下屆聯盟會議的相關事宜。

延伸閱讀

《中國機械行業卓越工程師教育聯盟首屆畢業設計大賽優秀作品案例集》

中國機械行業卓越工程師教育聯盟、大連理工大學 編著

責任編輯：毛瑩 鄧靜 張麗花

ISBN： 978-7-03-054661-6

《中國機械行業卓越工程師教育聯盟首屆畢業設計大賽優秀作品案例集》收錄首屆參賽的百餘篇優秀畢業設計作品，其中金獎1項、銀獎3項、銅獎10項、優秀獎15項、佳作獎73項。每篇獲獎作品包括設計題目、設計目的、基本原理及方法、主要設計過程或試驗過程、結論、創新點以及設計圖或作品實物圖等。除獲獎作品外，本書還彙編了中國機械行業卓越工程師教育聯盟畢業設計大賽章程、首屆大賽情況簡介、打分依據及大賽總結、決賽獲獎名單等相關文件。

（本期編輯：王芳）

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