激光干涉引力波天文台

引力波是愛因斯坦廣義相對論所預言的一種以光速傳播的時空波動，如同石頭丟進水裡產生的波紋一樣，引力波被視為宇宙中的“時空漣漪”。通常引力波都很低，如地球圍繞太陽運行時，發出的引力波功率僅為200瓦。宇宙中大質量天體的加速、碰撞和合併等事件才可以形成強大的引力波，但由於波源超遠距離，引力波傳播到地球時變得非常微弱。因此需要超高靈敏度的儀器才有可能對引力波進行探測。

探測引力波意義重大，從科學意義上看，引力波可以直接與宇宙大爆炸連接。廣義相對論中預言的引力波也可以產生於宇宙大爆炸中，這就是說大爆炸之初的引力波在137億年後的今天仍然可以探測到。一旦發現了宇宙大爆炸時期的引力波，就可以揭開宇宙的各種謎團，甚至了解宇宙的開端和運行機制。

20世紀60年代，馬里蘭大學的物理學家韋伯（Joseph Weber）試圖用諧振原理探測引力波，他建造了一種共振型引力波探測器。該探測器由多層鋁筒構成，直徑1米，長2米，質量約1000千克，用細絲懸掛起來。當引力波經過圓柱時，圓柱會發生共振，進而可以通過安裝在圓柱周圍的壓電感測器檢測到。韋伯曾經在相距1000千米的兩個地方同時放置了相同的探測器，只有兩個探測器同時檢測到相同的信號才被記錄下來。1968年，韋伯宣稱他探測到了引力波，立刻引起了科學界的轟動，但是後來的重複實驗都一無所獲。

後來世界各國又陸續建造了一些棒狀探測器，但是效果並不理想。

20世紀70年代，加州理工學院的物理學家萊納·魏斯（Rainer Weiss）等人開始考慮使用激光干涉方法探測引力波，其原理類似於邁克爾遜干涉儀。但引力波的探測對儀器的靈敏度要求非常高，要能夠在1000米的距離上感知10^-18米的變化，相當於質子直徑的千分之一才有可能。直到20世紀90年代，如此高靈敏度所需的技術條件才逐漸趨於成熟。

1991年，麻省理工學院與加州理工學院在美國國家科學基金會（NSF）的資助下，開始聯合建設“激光干涉引力波天文台”（LIGO）。

1999年11月建成，耗資3.65億美元。2005年-2007年，LIGO進行升級改造，包括採用更高功率的激光器、進一步減少振動等。升級后的LIGO被稱為“增強LIGO”。2009年7月，增強LIGO開始運行直到2010年10月結束。但未能探測到引力波存在的可靠證據。

2015年，最新的激光干涉引力波天文台正式上線，理論上，該天文台可以探測到3億光年遠的引力波事件。但科學家認為要發現信號強大的引力波還需要更遠、更靈敏的探測器，預計在2017年可以具備對5億光年外引力波的檢測能力。有10多個國家的超過一千名科研人員參與了該設備的運作。

2016年2月11日，加州理工學院、麻省理工學院以及“激光干涉引力波天文台(LIGO)”的研究人員當天在華盛頓舉行記者會，他們探測到引力波的存在。

2017年10月16日，全球多國科學家同步舉行新聞發布會，宣布人類第一次直接探測到來自雙中子星合併的引力波，並同時“看到”這一壯觀宇宙事件發出的電磁信號。

2018年12月3日，據物理學家組織網報道，一個國際科學家團隊通過分析高新激光干涉儀引力波天文台（Advanced LIGO）獲得的觀測數據，發現了迄今最大的黑洞合併事件和另外三起黑洞合併事件產生的引力波。最大黑洞合併成了一個約為太陽80倍大小的新黑洞，也是迄今距離地球最遠的黑洞合併。

2019年8月14日下午5點10分39秒，美國和義大利的三台巨型探測器探測到了一次奇異事件，分析表明，這顯然是由一對黑洞和中子星在約9億光年之外相互運動併合產生的一束引力波脈衝。報道指出，此次新發現由位於美國的激光干涉儀引力波天文台（LIGO）和位於義大利的“室女座”（Virgo）天文台共同完成。

引力波探測器原理與邁克耳遜干涉儀和法布里-珀羅干涉儀的原理差不多，主要部分是兩個互相垂直的長臂，每個臂長4000米，臂的末端懸掛著反射鏡，管道採用不鏽鋼製成，直徑1.2米，內部真空度為10^-12大氣壓。在兩臂交會處，從激光光源發出的光束被一分為二，分別進入互相垂直並保持超真空狀態的兩空心圓柱體內，然後被終端的鏡面反射回原出發點，激光束在臂中來回反射大約50次，使等效臂長大大增加，這樣就會形成干涉條紋，如果有引力波通過，便會引起時空變形，一臂的長度會略為變長而另一臂的長度則略為縮短，這樣就會造成光程差發生變化，因此激光干涉條紋就會發生相應的變化。

這好比是池塘中的水波。將漂浮物放置在水面上，當有波浪經過，物體便會在水面上沉浮不定。LIGO安置的鏡子就如漂浮在引力波中的懸浮物。通過在干涉臂之間往返的激光，探測儀會將鏡子間距離的輕微變化記錄下來。

不過由於可能的干擾太多，為了排除一些干擾因素，減少不確定性的誤差，LIGO在美國華盛頓州利文斯頓和新澤西州漢福德同時分別安置了兩部完全相同的儀器，彼此相距3000千米。只有當兩個探測器同時檢測到相同的信號才有可能是引力波。

激光干涉引力波天文台的靈敏度是空前的，但科學家也不十分肯定能否探測到引力波，可以肯定的引力波在宇宙中是存在的，這需要宇宙級的碰撞事件，但如此事件較為罕見，在銀河系內平均每1萬年會發生一次。

LIGO由兩個干涉儀組成，每一個都帶有兩個4千米長的臂並組成L型，它們分別位於相距3000千米的美國南海岸Livingston和美國西北海岸Hanford。每個臂由直徑為1.2米的真空鋼管組成。

在光學方面，它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，它用到被動阻尼和主動阻尼的隔震技術以及真空技術。在信息技術方面舉一個例子，它於2015年秋天的運算量相當於一個四核電腦運算一千年。上面只羅列了LIGO使用的主要技術特點。

除此之外，LIGO的研究團隊還在不斷地想辦法對儀器進行升級。