速度计:一种新型的引力波探测器

近些年来,随着引力波不断地被LIGO探测到,引力波探测已经成为比较热门的课题之一。而想要研制一个好的引力波探测器,就必须解决噪声问题。引力波探测器的噪声主要来源于振动噪声、量子噪声和热噪声等,速度计的提出正是为了降低量子噪声。根据量子测量的原理,速度计能够突破标准量子极限,通过来回反射有效地削减光子辐射压力带来的噪声。这在低频段尤为明显。另外可以证明,拥有法布里-珀罗谐振腔的速度计干涉仪与迈克耳孙干涉仪具有非常相似的性能,例如同样的循环光功率。首先介绍了速度计的工作原理,然后介绍了三种类型的速度计及其性能,最后展望了其广阔的发展前景。     

KAGRA引力波探测器中蓝宝石测试镜光学性质研究

低温制冷技术是下一代激光干涉仪引力波探测器的核心技术之一. 日本引力波探测器KAGRA (Kamioka Gravitational Wave Detector)作为该技术的前沿开拓者, 将运行在20K的超低温环境中, 并使用在低温下热噪声较低的单晶蓝宝石晶体作为测试镜. 然而, 高质量大尺寸低吸收率的蓝宝石晶体极难制备. 此外, 由于蓝宝石晶体存在晶格结构不均匀, 很容易导致不必要的双折射效应, 从而影响探测器的目标灵敏度. 基于上述问题, 开发了两套大尺寸光学测量系统, 首次系统研究了KAGRA低温蓝宝石测试镜的光学特性. 首先, 根据探测器对测试镜热噪声的要求, 开发了一套基于光热共光路干涉技术的光学测量系统, 该系统可对测试镜以及测试镜表面涂层的光学吸收进行有效的表征. 其次, 基于光学吸收测量系统, 开发了一套双折射效应测量系统, 该系统可以有效表征测试镜中双折射的均匀性. 目前两套测量系统的搭建与调试已完成, 对蓝宝石测试镜光学吸收的测量灵敏度达到了1.5ppm/cm, 双折射测量系统的空间分辨率小于0.3mm times 0.3mm. 该工作对降低大尺寸低温测试镜双折射效应及提高探测器灵敏度具有重要意义.     

双黑洞系统的不同起源及其参数分布

双黑洞组成的近密双星系统并合是激光干涉仪引力波天文台等地基引力波探测器的主要探测对象。随着探测器灵敏度的提高,大量该类信号的探测将成为进一步研究黑洞物理的有效工具。但是目前对双黑洞系统的起源机制和内禀参数分布等物理问题的研究还不够深入,例如由引力波探测得到的黑洞质量分布与X射线双星观测的结果存在较大差异,还未有很好的理论模型可解释该结果。目前普遍认为双黑洞系统主要有两种起源:大质量双星演化机制和动力学起源机制。基于这两类起源的双黑洞系统在质量、自旋分布等方面存在差异。因此可在贝叶斯理论框架下,利用引力波信号携带的波源质量和自旋等信息,推断波源起源,计算不同起源的双黑洞系统所占比例,以及检验质量自旋等参数分布的差异。     

激光干涉仪引力波探测器

引力波的存在是爱因斯坦在广义相对论中提出的一个重要预言,引力波探测是当代物理学最重要的前沿领域之一。经过近半个世纪的艰苦努力,随着几个大型激光干涉仪引力波探测器在21世纪初的出现并于近几年达到前所未有的灵敏度,引力波探测进入了一个崭新的时代。人类有望在第二代地基激光干涉仪引力波探测器开始科学运行(约2015年)之后的几年内,不仅可以直接探测到引力波,更将打开一扇观测宇宙的新窗口。引力波探测也将成为继电磁辐射、宇宙线和中微子之后,人类探索宇宙奥秘的又一重要手段。介绍了激光干涉仪引力波探测器的性能和工作原理,详细分析了其关键部件,如:迈克尔孙干涉仪、法布里–珀罗腔、功率循环系统、激光器、清模器、倒摆、单体几何反弹簧过滤器、真空系统等的结构、性能和工艺特点,展望了其广阔的发展前景。     

世界引力波探测网的现状

引力波是广义相对论的重要推论之一,迄今为止尚未被直接探测到。上世纪末共振棒引力波探测网曾联合运行.历经十余年的努力,世界激光干涉引力波探测网已经初步形成。今后一、两年将会同步运行。最新的关于中子双星的天文观测和分析给引力波探测带来了希望。     

空间激光干涉引力波探测与早期宇宙结构形成

空间引力波探测是研究宇宙早期恒星演化和星系形成、黑洞和星系的共同成长等天文学和宇宙学重大问题的一条重要可能途径。经过两期科学院先导科技专项空间科学预研究课题的开展,通过权衡技术的可行性与科学的前瞻性,选择以高红移开始的中至大质量双黑洞并合系统、星团等稠密动力学环境中涉及中等质量黑洞的双黑洞引力波波源为主要科学目标,给出了我国毫赫兹至赫兹频段空间引力波探测任务计划的初步设计。以该任务设计建议为依据,简要介绍空间引力波探测及其作为一种新的天文观测手段的科学内涵,以及我国空间引力波探测任务设计的科学目标和探测潜力。     

恒星级双黑洞自旋研究进展

自2015年以来,人们已经探测到93例恒星级双黑洞并合引力波事件,测量了双黑洞质量、自旋和距离等参数,并获得了其统计分布。不同双黑洞起源机制产生的双黑洞性质分布,特别是自旋分布,会显著不同,其可用来限制双黑洞起源。简单回顾了双星演化和动力学相互作用等双黑洞形成机制及自旋来源;综述了利用自旋限制双黑洞起源的一般方法和常见模型,以及利用LIGO/Virgo引力波数据取得的相关进展,并对未来发展前景进行了展望。     

OJ 287的引力波辐射研究

类星体OJ 287的研究已经有100多年的历史,它呈现周期性双峰爆发现象,爆发周期为12 yr,比较好地解释观测的模型是双黑洞模型,即次黑洞绕主黑洞运动,并撞击主黑洞吸积盘从而引起爆发.此模型合理地解释了OJ 287的光变曲线并正确预言了未来爆发时间,这间接证明了广义相对论进动效应以及引力波的存在.星系中心大质量黑洞是一类重要的引力波源,而精确确定了其内部组分运动学方程的星系非常少,由于双黑洞模型提供了精确的黑洞运动轨道,故可以在这个运动轨道基础上研究其引力波辐射.在已有工作基础上,采用后牛顿近似方法首次得到了引力波辐射功率和波形随时间的演化关系,根据目前引力波探测设备IPTA(International Pulsar Timing Array)的进展情况,未来十几年内对OJ 287的引力波直接探测将成为可能.     

嫦娥四号低频射电频谱仪降低背景噪声方法的研究

嫦娥四号着陆器将搭载低频射电频谱仪在月球背面进行低频射电天文观测,低频射电频谱仪的观测波段为0.1~40 MHz。根据着陆器在中国空间技术研究院的微波暗室进行的电磁兼容性试验结果,着陆器平台在该频段内自身存在非常强的噪声,其强度甚至淹没大部分来自太阳爆发的信号,难以探测有效信号,实现预期的科学目标。通过模拟仿真分析谱减法、维纳滤波及自适应滤波3种方法对着陆器噪声消除的效果,从而选择更为有效的噪声消除方法,为低频射电频谱仪在轨探测任务的数据处理提供依据。     

双星系统中大质量比致密天体质量四极矩对轨道频率的影响分析

极端质量比旋进系统是空间引力波探测器最重要的波源之一。对引力波的探测需要高精度波形模版。当前主流的极端质量比旋进系统引力波计算模型中,人们一般将小质量天体当作试验粒子进行计算,而忽略了其结构及自身引力对背景引力场的影响。利用Mathisson-Papapetrou-Dixon方程研究延展体在弯曲时空中的运动,以及小天体自旋和质量多极矩对引力波信号识别产生的影响。结果表明,质量比在10?6-10?4范围的旋进系统,其自旋达到很大时,自旋对延展体的轨道运动有不可忽略的影响;在质量比10?4-10?2区间内,需要考虑中心黑洞潮汐作用导致的白矮星形变;在质量比大于10?4,且白矮星自旋很大时,其自旋产生的形变会对小天体轨道运动产生不可忽略的影响。大质量黑洞潮汐作用导致的恒星级黑洞或中子星产生的形变可以忽略,中子星和黑洞的自旋会对轨道运动产生不可忽略的影响,而自旋产生的四极矩对轨道运动不产生影响。     

小型激光天文动力学空间计划概念

小型激光天文动力学空间计划是：使用在太阳轨道上天拖曳航天器和地面站以激光干涉和脉冲测距的方法，精确地探讨天文动力学，检测相对论与时空基本定律，改进探测引力波的灵敏度以及更准确地测定太阳，行星和小行星的参数。1969年开始的月球激光（反射）测距，对地球物理，参考坐标的选定，相对论的检验均有重要的贡献。30年来，激光技术的长足进步，使现在正是适合于开始进行研究空间有源（主动）测距和光波空间通讯的时候。激光正是适合于开始进行研究空间有源（主动）测跑和光波空间通讯的时候。激光天文动力学的兴起是必然的趋势，其精确度将比现在提高3到6个数量级，将是天文动力学革命性的发展。小型激光天文动力学空间计划可以起到带头作用。它的关键技术有三，即：弱光锁相，极精确无拖曳航天和高衰减日冕仪。弱光锁相已有长足的进步。对高衰减日冕仪的研究，也有初步的方案。LISA空间计划将于2006年8月发射SMART－2，研究测试极精确地拖曳航天。小型激光天文动力学空间计划的关键技术已日趋成熟。在第一届国际激光天文动力学研讨会（2001，9．13－23）中介绍了各相关学科背景及前沿研究，讨论了激光天文动力学空间计划科学目标及相关技术，并召开了两次小型激光天文动力学空间计划预研究筹备会，建立了和欧洲的合作关系。会后着手进行此项对基础物理，太阳系探索及引力波天文学有重要科学价值的空间计划预研究。     

X射线揭示的高能宇宙

星空无尽,奥妙无穷。人们好奇于自己的生命和周围的世界。天文学家更是如此,他们挖空心思,用尽聪明,想搞清楚那一闪一闪的星星到底是什么,那些星星的旁边也有类似我们地球上的生命吗?他们用各种手段,不辞繁琐,探究着远方的星星世界,向我们展示着星星的生命历程。超新星、中子星、黑洞、引力波等名词和概念近来常被人们提及。这些极端天体现象大都与X射线有关。X射线天文是20世纪中期伴随着火箭和卫星的发展开始的。尽管人们不能直接通过自己的眼睛观测和体验X射线波段的天空,人们可以通过X射线探测器一窥其貌。     

大视场巡天望远镜探测器响应与滤光片优化分析

大视场巡天望远镜(Wide Field Survey Telescope,WFST)是采用主焦式光学设计、2.5 m口径、具备强大巡天能力的望远镜,可以开展大规模图像巡天,用于刻画银河系和近邻宇宙的组成和结构、普查太阳系天体和外部构成、开展时域天文监测等科学研究工作.结合大视场巡天望远镜光学系统的透过率、西藏阿里站址的大气透过率和冒纳凯阿台址的天光发射谱,比较不同电荷耦合器件(Charge Coupled Device,CCD)量子响应曲线、读出噪声和不同曝光时间情况下,不同类型天体在u、g、r、i、z和w波段的能谱响应,分析各个波段测光信噪比,优化确定CCD响应曲线和用于太阳系天体巡天的白光滤光片(w)设计.分析结果显示:蓝敏CCD对探测超新星等高能爆发暂现源有优势,但在r、i、z波段效率降低,从而降低这些波段的巡天探测灵敏度.光学宽带CCD响应曲线兼顾蓝端和红端能谱响应,在相同观测时间内,可以实现比蓝敏CCD更高的巡天灵敏度.采用宽带CCD响应曲线,结合估算的WFST系统光学成像效率及站址的天光和消光,计算给出了巡天观测对太阳系天体(G2V恒星光谱)、椭圆星系(E)、漩涡星系(Sbc/Scd)、不规则星系(Im)、类星体、I型和II型超新星的探测灵敏度.通过调节w波段的带宽和中心波长,可以实现对不同类型天体的能谱响应信噪比最大化.综合比较,确定w滤光片的优化设计波长范围为367–795 nm.最后,计算给出了各波段长期巡天图像数据叠加的探测灵敏度随曝光时间的变化曲线.     

自旋压缩态及其在原子钟中的应用前景

应用自旋压缩可以克服独立原子系综投影噪声所产生的标准量子极限。简要论述了自旋压缩态的基本概念和特性,并介绍了利用光学谐振腔对87Rb原子系综产生自旋压缩的实验方案,并从理论和技术两方面对实验中所遇到的一些退相干机制进行了讨论。最后,综述了自旋压缩态在原子钟中的应用前景及需要克服的问题。     

三能级Tonks-Girardeau气体的Ramsey干涉的研究

采用Ramsey分离振荡场方法,研究了紧束缚一维强相互作用的超冷玻色气体在Tonks-Girardeau区的Ramsey干涉。在等失谐情况下,干涉条纹宽度随着原子与分离场作用时间和拉比(Rabi)频率的增大而变窄。对量子投影噪声的研究表明,相比二能级Tonks-Girardeau气体,对于三能级模型,通过控制原子总数和调节外场可以降低量子噪声,有效地减少噪声对Tonks-Girardeau气体系统的干扰。原子干涉的探索对提高量子频率标准的精度具有重要理论指导意义。     

LHAASO-MD光电倍增管的性能测试

高海拔宇宙线观测站(Large High Altitude Air Shower Observatory)的核心科学目标是探索高能宇宙线起源以及相关的宇宙演化、高能天体运动和新物理前沿的研究。通过大面积铺设μ子探测器极大地降低宇宙射线背景,从而提升高能伽马射线探测的灵敏度。作为μ子探测器的核心部件之一的光电倍增管负责接收水中的切伦科夫光子并将其转换成电信号输出,因此,光电倍增管的性能好坏直接影响μ子探测器的性能。稻城实验室2%抽样测试结果表明,光电倍增管的各性能达到μ子探测器的指标要求,与批量测试结果的相对偏差小于2%。     

差分CLEAN算法在编码板成像中的应用

编码板多用于硬X射线及更高能量波段的天文成像.采用交叉相关算法对编码板图像进行重建时会产生鬼像,成像质量不高.采用CLEAN算法可以有效消除鬼像,但该算法仍然无法抑制由不等间隔采样和数据缺失引入的误差.采用差分CLEAN算法对编码板图像进行重建.该算法直接在探测器数据空间进行处理,由模型数据推算出探测器上各点的数值,无需对数据进行插值等操作,能够规避上述问题,提高成像质量.选用理想点源数据加入了泊松噪声和人造坏数据点进行了模拟重建,结果显示差分CLEAN算法能够得到比CLEAN算法更低的噪声水平和更接近真实值的点源强度.IBIS是INTEGRAL卫星上的主要编码板成像设备,目前已经有大量损坏的探测器单元.用差分CLEAN算法对IBIS望远镜的数据进行了处理,与INTEGRAL标准处理软件OSA采用的CLEAN算法相比也得到了噪声水平更低的结果.     

基于Matlab/Simulink的天线系统自适应滤波器的仿真实现

为了使天线系统接收和显示的信号更清晰,达到消除系统噪声和电磁干扰的目的,针对中国科学院新疆天文台南山观测基地对射电天文观测和深空探测(探月工程和火星探测)的特殊要求,利用Matlab/Simulink强大的数值计算与仿真功能实现了一种依据自适应方法滤除噪声的滤波器。首先选择脉冲星1910+0728和1913-0440的观测信号为滤波参考信号。在Matlab上通过编写M文件设计了滤波算法并有效滤除了噪声。然后运用Simulink进行建模仿真,通过不断改变系统阶数与步长找到了滤波效果最好的自适应滤波器,确定了其最优参数为8阶,迭代步长为0.005。实验表明在这种阶数和步长下,滤波器能在保证快速滤波的前提下有效地还原接收信号的轮廓,将偏差降到最小。仿真最终结果表明自适应滤波器滤波效果良好,实用性强,满足了射电天文观测和探月的需求。     

空间紫外天文探测者

现代紫外天文学的测波段是３１００－１００Ａ,和Ｘ线相接,紫外观测要把望远镜到１５０ｋｍ高度以上,以避开臭氧层和大气吸收。９０年代以发射的专用紫外空间探测器有Ａｓｔｒｏ－１,Ａｓｔｒｏ－２,ＩＵＥ,ＥＵＶＥ,在ＨＳＴ和ＴＲＡＣＥ上也安装有紫外空间探测器。这些紫外空间观测已覆盖了全部紫外光谱。１９９９年６月２４日发射升空的ＦＵＳＥ卫星是ＮＡＳＡ的“起源计划”项目,将通过氘或“重氢”的探测来研究轻元素丰     

天体射电脉冲检测软件和试验

为满足利用上海天马望远镜开展脉冲爆发类天体研究的需要,开发了检测射电脉冲爆发的数据处理软件。该软件主要包括零色散滤波、色散量搜寻、阈值设定及匹配滤波、效果图检验等功能模块。利用该软件处理上海天马望远镜对Crab脉冲星的试观测数据,成功地探测到其巨脉冲辐射。实验表明,该软件功能模块运行正常。后续将在噪声去除以及匹配滤波方面做进一步改进,使其能够被用来做更深入的科学研究。