引力波探测

作者: 王运永著

出版社: 科学出版社

出版时间: 2020-04

ISBN: 9787030647665

定价: 198.00

装帧: 其他

分类: 自然科学

引力波是爱因斯坦广义相对论的重要预言，引力波探测是当代物理学的前沿领域之一，引力波的发现开辟了引力波天文学研究的新纪元，是继以电磁辐射为探测手段的传统天文学之后，人类观测宇宙的一个新窗口。激光干涉仪引力波探测器在引力波发现中发挥了不可替代的关键作用，由于设计精良、结构紧密、频带宽、灵敏度高，具有广阔的发展前景，是引力波天文台的基础设备。激光干涉仪引力波探测器的发明、发展和建造者雷纳・韦斯、巴里・巴里什和基普・索恩也因此荣获2017年诺贝尔物理学奖。
《引力波探测》详细讲述了引力波天文学的理论基础，分析了引力波天文学的特点,介绍了各种可能的天体引力波源，对激光干涉仪引力波探测器的结构、性能和工作原理进行了深入细致的阐述，对其噪声、灵敏度、状态控制、锁定、刻度等物理和技术问题进行了详细的剖析。系统地讨论了引力波的数据获取和分析方法，扼要介绍了低频引力波和高频引力波的探测方法。目录
前言
第1章引言 1
1.1 伽利略与近代科学的兴起 1
1.2 牛顿和万有引力定律 3
1.3 爱因斯坦和广义相对论 4
第2章广义相对论概述 7
2.1 广义相对论的建立 7
2.1.1 引力质量和惯性质量 7
2.1.2 等效原理 8
2.1.3 高斯曲线坐标和黎曼几何 9
2.1.4 广义相对性原理 10
2.1.5 引力场 11
2.2 引力场的数学描述 14
2.2.1 时空线元 14
2.2.2 测地线方程 15
2.2.3 黎曼曲率张量 15
2.2.4 引力场方程 16
2.3 引力场方程求解 16
2.3.1 球对称引力场和施瓦西度规 17
2.3.2 后牛顿近似 17
2.4 广义相对论的预言与检验 17
2.4.1 行星近日点的剩余进动 17
2.4.2 引力红移 19
2.4.3 光线偏转 19
2.4.4 引力波 22
第3章引力波理论基础 23
3.1 引力辐射的产生 23
3.2 引力波方程 23
3.3 引力波的特性 26
3.4 引力波与电磁波的比较 28
3.5 统一场理论和引力场量子化 29
3.5.1 广义相对论和量子力学的相容性 29
3.5.2 统一场理论 29
3.5.3 引力场量子化 30
3.6 引力波的可探测性 31
3.6.1 引力波强度估算 31
3.6.2 引力波对测试质量粒子的作用 32
3.7 天体引力波源 33
3.7.1 致密双星的旋绕与并合 33
3.7.2 黑洞 36
3.7.3 超新星爆发 38
3.7.4 中子星或黑洞形成 38
3.7.5 新生中子星的“沸腾” 39
3.7.6 坍缩星核的离心悬起 39
3.7.7 旋转的中子星 39
3.7.8 超大质量黑洞 41
3.7.9 随机背景辐射 41
第4章引力波的发现 45
4.1 引力波存在的间接证据 45
4.2 引力波的发现 47
4.2.1 第一个引力波事例 GW150914 48
4.2.2 第二个引力波事例 GW151226 55
4.2.3 第三个引力波事例 GW170104 57
4.2.4 第四个引力波事例 GW170814 58
4.2.5 第五个引力波事例 GW170817 61
4.3 雷纳韦斯，巴里巴里什和基普索恩荣获2017年度
诺贝尔物理学奖 64
4.4 引力波天文学的特点 68
4.5 电磁辐射天文学和引力波天文学的关系 70
4.6 引力辐射天体源的定位 71
第5章共振棒引力波探测器 72
5.1 共振棒引力波探测器的工作原理 72
5.1.1 引力波探测的兴起 72
5.1.2 共振棒引力波探测器的工作原理 73
5.1.3 引力波作用下共振棒的振动 73
5.1.4 共振棒从引力波吸收的能量 75
5.2 共振棒引力波探测器的基本结构 76
5.2.1 共振棒 77
5.2.2 隔震系统 77
5.2.3 低温系统 77
5.2.4 信号耦合与读出――传感器 78
5.2.5 宇宙线监测器 81
5.2.6 环境监测 81
5.3 共振棒引力波探测器的噪声 81
5.3.1 共振棒的热噪声 82
5.3.2 电子学噪声 82
5.3.3 电子学噪声的反向作用 83
5.3.4 共振棒引力波探测器的总噪声 84
5.4 共振棒引力波探测器的改进与升级 85
5.4.1 光学传感读出系统 85
5.4.2 球形共振质量引力波探测器 86
5.5 共振棒引力波探测器国际网 87
5.6 共振棒引力波探测器的发展历程与实验结果 88
第6章激光干涉仪引力波探测器的结构和工作原理 91
6.1 第一代激光干涉仪引力波探测器 91
6.1.1 激光干涉仪引力波探测器的兴起 92
6.1.2 大型激光干涉仪引力波探测器 LIGO 的建造 96
6.1.3 国际大型激光干涉仪引力波探测器网 99
6.2 激光干涉仪引力波探测器的工作原理 102
6.3 激光干涉仪引力波探测器的基本结构 106
6.3.1 迈克耳孙干涉仪 107
6.3.2 光延迟线 114
6.3.3 法布里-珀罗腔 116
6.3.4 功率循环系统 127
6.3.5 激光器 132
6.3.6 清模器 141
6.3.7 法拉第光隔离器 145
6.3.8 激光干涉仪引力波探测器中的镜子 147
6.3.9 隔震与镜体悬挂系统 150
6.3.10 真空系统 173
第7章激光干涉仪引力波探测器的噪声和灵敏度 175
7.1 激光干涉仪引力波探测器的噪声分析 175
7.1.1 地面震动噪声 175
7.1.2 光量子噪声 175
7.1.3 热噪声 183
7.1.4 引力梯度噪声 193
7.1.5 杂散光子噪声 194
7.1.6 残余气体噪声 194
7.1.7 激光干涉仪引力波探测器的噪声曲线 194
7.2 激光干涉仪引力波探测器的灵敏度 195
7.2.1 引力波探测器的输出信息 196
7.2.2 应变幅度谱密度 196
7.2.3 傅里叶变换 196
7.2.4 谱密度 197
7.2.5 功率谱密度 197
7.2.6 灵敏度曲线 198
7.3 激光干涉仪引力波探测器的频率响应 199
7.3.1 线性系统的频率响应 199
7.3.2 归一化频率响应 200
7.3.3 干涉仪的传递函数 200
7.3.4 具有法布里-珀罗腔的激光干涉仪引力波探测器的归一化频率响应 201
7.3.5 具有光延迟线的激光干涉仪引力波探测器的归一化频率响应 203
第8章信号读出与状态控制 205
8.1 激光干涉仪引力波探测器的信号读出 205
8.1.1 外差探测 205
8.1.2 零差探测 210
8.2 干涉仪工作状态的控制与锁定 211
8.2.1 庞德-德里弗-霍尔技术 212
8.2.2 干涉仪的锁定与状态控制 235
8.3 旁频光场的产生 243
8.3.1 振幅调制 244
8.3.2 频率调制 245
8.3.3 电光调制器和声光调制器 248
8.4 激光干涉仪引力波探测器的刻度 256
8.4.1 促动器系统的刻度 257
8.4.2 闭路传递函数 261
8.4.3 光学响应 263
8.4.4 灵敏度 263
8.4.5 探测器响应的监测 264
第9章引力波数据获取与数据分析 266
9.1 数据获取 266
9.1.1 数据获取的硬件设备 266
9.1.2 数据结构 267
9.1.3 数据道和数据单元 268
9.1.4 数据获取的软件系统 273
9.2 引力波数据分析 273
9.2.1 数据分析通用软件工具 274
9.2.2 蒙特-卡罗模拟计算 274
9.2.3 波形分析 276
9.2.4 时间-频率分析法 276
9.2.5 变化点分析法 280
9.2.6 关联与符合技术 280
9.2.7 模板的应用 283
9.2.8 匹配过滤器 286
9.2.9 2 时间-频率甄别器检验 288
9.2.10 毛刺排除 317
9.2.11 数据分析流水线 318
第10章第二代和第三代激光干涉仪引力波探测器 324
10.1 激光干涉仪引力波探测器的升级 324
10.1.1 第一代激光干涉仪引力波探测器的设计目标 324
10.1.2 第二代激光干涉仪引力波探测器的设计目标 325
10.1.3 第三代激光干涉仪引力波探测器的设计目标 326
10.2 激光干涉仪引力波探测器的升级改进的主要方面 326
10.2.1 参量不稳定性抑制 327
10.2.2 压缩态光场 332
10.2.3 信号循环 351
10.2.4 地下干涉仪 375
10.2.5 低温干涉仪 376
10.3 第二代激光干涉仪引力波探测器――高级 LIGO 377
10.3.1 高级 LIGO 的设计灵敏度和探测频带 377
10.3.2 高级 LIGO 的结构特点 379
10.4 地下和低温引力波探测器 KAGRA 381
10.4.1 地下探测器 381
10.4.2 低温探测器 382
10.4.3 KAGRA 的灵敏度 385
10.5 第三代激光干涉仪引力波探测器爱因斯坦引力波望远镜 385
10.5.1 爱因斯坦引力波望远镜的结构特点 386
10.5.2 爱因斯坦引力波望远镜可以研究的物理问题 390
第11章低频引力波和高频引力波探测 393
11.1 空间激光干涉仪引力波探测器 LISA 和 eLISA 393
11.1.1 空间引力波探测器的优点 394
11.1.2 空间引力波探测器 LISA 的基本结构 394
11.1.3 LISA 的工作原理 395
11.1.4 LISA 的噪声 396
11.2 脉冲星计时阵列 398
11.2.1 脉冲星 398
11.2.2 脉冲星电磁辐射脉冲的观测特征 399
11.2.3 脉冲星的距离测量 399
11.2.4 毫秒脉冲星引力波源 400
11.2.5 脉冲星计时技术 401
11.2.6 脉冲星计时引力波探测 403
11.3 宇宙微波背景辐射中的 B 模偏振测量 405
11.3.1 宇宙微波背景辐射 406
11.3.2 B 模偏振形态 410
11.3.3 BICEP2 412
11.3.4 尘埃效应 418
11.4 高频引力波的探测 418
11.4.1 宇宙学范围和高能天体物理过程中产生的高频引力波 418
11.4.2 高频引力波的观测 420
11.4.3 基于强磁场和弱光子流检测的高频引力波探测系统 421
11.4.4 观测高频引力波的科学意义 425
参考文献 427
后记 441
彩图
《现代物理基础丛书》已出版书目 446
内容简介:
引力波是爱因斯坦广义相对论的重要预言，引力波探测是当代物理学的前沿领域之一，引力波的发现开辟了引力波天文学研究的新纪元，是继以电磁辐射为探测手段的传统天文学之后，人类观测宇宙的一个新窗口。激光干涉仪引力波探测器在引力波发现中发挥了不可替代的关键作用，由于设计精良、结构紧密、频带宽、灵敏度高，具有广阔的发展前景，是引力波天文台的基础设备。激光干涉仪引力波探测器的发明、发展和建造者雷纳・韦斯、巴里・巴里什和基普・索恩也因此荣获2017年诺贝尔物理学奖。
《引力波探测》详细讲述了引力波天文学的理论基础，分析了引力波天文学的特点,介绍了各种可能的天体引力波源，对激光干涉仪引力波探测器的结构、性能和工作原理进行了深入细致的阐述，对其噪声、灵敏度、状态控制、锁定、刻度等物理和技术问题进行了详细的剖析。系统地讨论了引力波的数据获取和分析方法，扼要介绍了低频引力波和高频引力波的探测方法。
目录:
目录
前言
第1章引言 1
1.1 伽利略与近代科学的兴起 1
1.2 牛顿和万有引力定律 3
1.3 爱因斯坦和广义相对论 4
第2章广义相对论概述 7
2.1 广义相对论的建立 7
2.1.1 引力质量和惯性质量 7
2.1.2 等效原理 8
2.1.3 高斯曲线坐标和黎曼几何 9
2.1.4 广义相对性原理 10
2.1.5 引力场 11
2.2 引力场的数学描述 14
2.2.1 时空线元 14
2.2.2 测地线方程 15
2.2.3 黎曼曲率张量 15
2.2.4 引力场方程 16
2.3 引力场方程求解 16
2.3.1 球对称引力场和施瓦西度规 17
2.3.2 后牛顿近似 17
2.4 广义相对论的预言与检验 17
2.4.1 行星近日点的剩余进动 17
2.4.2 引力红移 19
2.4.3 光线偏转 19
2.4.4 引力波 22
第3章引力波理论基础 23
3.1 引力辐射的产生 23
3.2 引力波方程 23
3.3 引力波的特性 26
3.4 引力波与电磁波的比较 28
3.5 统一场理论和引力场量子化 29
3.5.1 广义相对论和量子力学的相容性 29
3.5.2 统一场理论 29
3.5.3 引力场量子化 30
3.6 引力波的可探测性 31
3.6.1 引力波强度估算 31
3.6.2 引力波对测试质量粒子的作用 32
3.7 天体引力波源 33
3.7.1 致密双星的旋绕与并合 33
3.7.2 黑洞 36
3.7.3 超新星爆发 38
3.7.4 中子星或黑洞形成 38
3.7.5 新生中子星的“沸腾” 39
3.7.6 坍缩星核的离心悬起 39
3.7.7 旋转的中子星 39
3.7.8 超大质量黑洞 41
3.7.9 随机背景辐射 41
第4章引力波的发现 45
4.1 引力波存在的间接证据 45
4.2 引力波的发现 47
4.2.1 第一个引力波事例 GW150914 48
4.2.2 第二个引力波事例 GW151226 55
4.2.3 第三个引力波事例 GW170104 57
4.2.4 第四个引力波事例 GW170814 58
4.2.5 第五个引力波事例 GW170817 61
4.3 雷纳韦斯，巴里巴里什和基普索恩荣获2017年度
诺贝尔物理学奖 64
4.4 引力波天文学的特点 68
4.5 电磁辐射天文学和引力波天文学的关系 70
4.6 引力辐射天体源的定位 71
第5章共振棒引力波探测器 72
5.1 共振棒引力波探测器的工作原理 72
5.1.1 引力波探测的兴起 72
5.1.2 共振棒引力波探测器的工作原理 73
5.1.3 引力波作用下共振棒的振动 73
5.1.4 共振棒从引力波吸收的能量 75
5.2 共振棒引力波探测器的基本结构 76
5.2.1 共振棒 77
5.2.2 隔震系统 77
5.2.3 低温系统 77
5.2.4 信号耦合与读出――传感器 78
5.2.5 宇宙线监测器 81
5.2.6 环境监测 81
5.3 共振棒引力波探测器的噪声 81
5.3.1 共振棒的热噪声 82
5.3.2 电子学噪声 82
5.3.3 电子学噪声的反向作用 83
5.3.4 共振棒引力波探测器的总噪声 84
5.4 共振棒引力波探测器的改进与升级 85
5.4.1 光学传感读出系统 85
5.4.2 球形共振质量引力波探测器 86
5.5 共振棒引力波探测器国际网 87
5.6 共振棒引力波探测器的发展历程与实验结果 88
第6章激光干涉仪引力波探测器的结构和工作原理 91
6.1 第一代激光干涉仪引力波探测器 91
6.1.1 激光干涉仪引力波探测器的兴起 92
6.1.2 大型激光干涉仪引力波探测器 LIGO 的建造 96
6.1.3 国际大型激光干涉仪引力波探测器网 99
6.2 激光干涉仪引力波探测器的工作原理 102
6.3 激光干涉仪引力波探测器的基本结构 106
6.3.1 迈克耳孙干涉仪 107
6.3.2 光延迟线 114
6.3.3 法布里-珀罗腔 116
6.3.4 功率循环系统 127
6.3.5 激光器 132
6.3.6 清模器 141
6.3.7 法拉第光隔离器 145
6.3.8 激光干涉仪引力波探测器中的镜子 147
6.3.9 隔震与镜体悬挂系统 150
6.3.10 真空系统 173
第7章激光干涉仪引力波探测器的噪声和灵敏度 175
7.1 激光干涉仪引力波探测器的噪声分析 175
7.1.1 地面震动噪声 175
7.1.2 光量子噪声 175
7.1.3 热噪声 183
7.1.4 引力梯度噪声 193
7.1.5 杂散光子噪声 194
7.1.6 残余气体噪声 194
7.1.7 激光干涉仪引力波探测器的噪声曲线 194
7.2 激光干涉仪引力波探测器的灵敏度 195
7.2.1 引力波探测器的输出信息 196
7.2.2 应变幅度谱密度 196
7.2.3 傅里叶变换 196
7.2.4 谱密度 197
7.2.5 功率谱密度 197
7.2.6 灵敏度曲线 198
7.3 激光干涉仪引力波探测器的频率响应 199
7.3.1 线性系统的频率响应 199
7.3.2 归一化频率响应 200
7.3.3 干涉仪的传递函数 200
7.3.4 具有法布里-珀罗腔的激光干涉仪引力波探测器的归一化频率响应 201
7.3.5 具有光延迟线的激光干涉仪引力波探测器的归一化频率响应 203
第8章信号读出与状态控制 205
8.1 激光干涉仪引力波探测器的信号读出 205
8.1.1 外差探测 205
8.1.2 零差探测 210
8.2 干涉仪工作状态的控制与锁定 211
8.2.1 庞德-德里弗-霍尔技术 212
8.2.2 干涉仪的锁定与状态控制 235
8.3 旁频光场的产生 243
8.3.1 振幅调制 244
8.3.2 频率调制 245
8.3.3 电光调制器和声光调制器 248
8.4 激光干涉仪引力波探测器的刻度 256
8.4.1 促动器系统的刻度 257
8.4.2 闭路传递函数 261
8.4.3 光学响应 263
8.4.4 灵敏度 263
8.4.5 探测器响应的监测 264
第9章引力波数据获取与数据分析 266
9.1 数据获取 266
9.1.1 数据获取的硬件设备 266
9.1.2 数据结构 267
9.1.3 数据道和数据单元 268
9.1.4 数据获取的软件系统 273
9.2 引力波数据分析 273
9.2.1 数据分析通用软件工具 274
9.2.2 蒙特-卡罗模拟计算 274
9.2.3 波形分析 276
9.2.4 时间-频率分析法 276
9.2.5 变化点分析法 280
9.2.6 关联与符合技术 280
9.2.7 模板的应用 283
9.2.8 匹配过滤器 286
9.2.9 2 时间-频率甄别器检验 288
9.2.10 毛刺排除 317
9.2.11 数据分析流水线 318
第10章第二代和第三代激光干涉仪引力波探测器 324
10.1 激光干涉仪引力波探测器的升级 324
10.1.1 第一代激光干涉仪引力波探测器的设计目标 324
10.1.2 第二代激光干涉仪引力波探测器的设计目标 325
10.1.3 第三代激光干涉仪引力波探测器的设计目标 326
10.2 激光干涉仪引力波探测器的升级改进的主要方面 326
10.2.1 参量不稳定性抑制 327
10.2.2 压缩态光场 332
10.2.3 信号循环 351
10.2.4 地下干涉仪 375
10.2.5 低温干涉仪 376
10.3 第二代激光干涉仪引力波探测器――高级 LIGO 377
10.3.1 高级 LIGO 的设计灵敏度和探测频带 377
10.3.2 高级 LIGO 的结构特点 379
10.4 地下和低温引力波探测器 KAGRA 381
10.4.1 地下探测器 381
10.4.2 低温探测器 382
10.4.3 KAGRA 的灵敏度 385
10.5 第三代激光干涉仪引力波探测器爱因斯坦引力波望远镜 385
10.5.1 爱因斯坦引力波望远镜的结构特点 386
10.5.2 爱因斯坦引力波望远镜可以研究的物理问题 390
第11章低频引力波和高频引力波探测 393
11.1 空间激光干涉仪引力波探测器 LISA 和 eLISA 393
11.1.1 空间引力波探测器的优点 394
11.1.2 空间引力波探测器 LISA 的基本结构 394
11.1.3 LISA 的工作原理 395
11.1.4 LISA 的噪声 396
11.2 脉冲星计时阵列 398
11.2.1 脉冲星 398
11.2.2 脉冲星电磁辐射脉冲的观测特征 399
11.2.3 脉冲星的距离测量 399
11.2.4 毫秒脉冲星引力波源 400
11.2.5 脉冲星计时技术 401
11.2.6 脉冲星计时引力波探测 403
11.3 宇宙微波背景辐射中的 B 模偏振测量 405
11.3.1 宇宙微波背景辐射 406
11.3.2 B 模偏振形态 410
11.3.3 BICEP2 412
11.3.4 尘埃效应 418
11.4 高频引力波的探测 418
11.4.1 宇宙学范围和高能天体物理过程中产生的高频引力波 418
11.4.2 高频引力波的观测 420
11.4.3 基于强磁场和弱光子流检测的高频引力波探测系统 421
11.4.4 观测高频引力波的科学意义 425
参考文献 427
后记 441
彩图
《现代物理基础丛书》已出版书目 446

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引力波探测

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