自北京时间16日22时（美国时间16日10时），美国激光干涉引力波天文台（LIGO）、欧洲处女座（Virgo）引力波探测器、我国中科院紫金山天文台以及世界各地70多家天文台的科学家代表，共同宣布人类首次探测到来自双中子星并合的新型引力波，并“看到”这次并合事件发出的电磁信号开始，各网站就被双中子星并合的美图刷爆了。这么厉害的现象是怎么被发现的呢？接下来我们就扒一扒同样厉害的观测仪。

双中子星并合艺术图。图片来源：Robin Dienel/The Carnegie Institution for Science

LIGO（laser interferometer gravitational wave observatory）是借助于激光干涉仪聆听来自宇宙深处引力波的大型研究仪器。LIGO由两个干涉仪组成，分别位于相距3000km的美国南海岸Livingston和美国西北海岸Hanford。

LIGO Livingston干涉仪。图片来源：LIGO Caltech

原理

LIGO探测器采用迈克耳孙干涉仪和法布里-珀罗干涉仪的原理，主要部分是两个互相垂直的长臂。每臂由直径为1.2m的真空钢管组成,每臂长4km，臂末端悬挂反射镜。大功率的激光束在臂中来回反射大约50次，在多次反射后，等效臂可以达到几千公里，形成干涉条纹。

带法布里-珀罗腔的迈克尔孙干涉仪（黑点为探测器）。图片来源：LIGO Caltech

在光学方面，LIGO探测仪用到高功率的连续稳定激光、加工极为精细的低吸收镜子以及FP腔和功率循环腔；在机械方面，LIGO探测仪用到真空技术以及被动阻尼和主动阻尼的隔震技术。

真空技术

LIGO拥有地球上最大和最纯净的持续真空吸尘器。在体积上，只有瑞士的大型强子对撞机才能超过它。LIGO真空管内的气压是海平面气压的一万亿分之一。LIGO需要如此好的真空环境，原因有两个。

空气（甚至只是几个空气分子）会产生噪声，掩盖我们试图探测的镜子之间的微小的变化。空气撞击镜子的分子时会使镜子分子移动，遮蔽引力波。由于空气具有“折射率”，激光光路中残留的空气会改变光路路径，就像玻璃透镜改变光路路径一样。即使只有几个空气分子通过激光光束都会影响反射镜之间的视距离，再次掩盖通过引力波的微妙影响。
真空操作可消除灰尘进入激光路径的机会，甚至是镜面灰尘导致的光散射。

如果没有如此高质量的真空环境，LIGO中的激光将被吸收、偏转，产生不必要的干扰模式，这种模式可能产生错误的结果或是淹没来自引力波的信号。失去任何激光光子都可能削弱LIGO探测引力波的能力。

部分暴露的LIGO Livingston真空管。图片来源：LIGO Caltech

主动阻尼和被动阻尼

防止振动的第一道防线是LIGO的主动阻尼系统（内部地震隔离系统）。该系统由感知地面运动的装置组成。装置中的传感器感知不同频率的环境振动，并将信号发送到一台计算机，计算机结合所有这些运动的影响，产生一个净反运动来消除所有的振动，以保持仪器无运动。这类似于噪声消除耳机的工作原理。

主动阻尼平台。图片来源：LIGO Caltech

主动阻尼系统之下是被动阻尼系统。

LIGO的被动阻尼系统由被称为“四核”的四级倒立摆组成。

一、二级摆是扁平的金属结构，三级摆是倒数第二块（叫这名我也很无奈），四级摆是测试块（反射镜）。三、四级摆由0.4mm的熔融石英（玻璃）纤维悬挂。“主链”侧接收激光光束，而“反应链”侧有助于保持测试块的稳定，远离与空间来源无关的噪声。此配置可吸收主动系统未完全消除的任何移动。由于惯性定律，悬挂部件的绝对重量(每个反射镜重40kg)也有助于防止反射镜的运动。

这些主动和被动的减振系统共同工作，确保LIGO的激光器和反射镜隔离外部噪声和物理振动。

被动阻尼。图片来源：LIGO Caltech

番外

双中子星并合事件是宇宙中大部分超重元素的起源。这张由加州理工学院提供的图片显示，元素周期表中，亮黄色部分为中子星并合过程中产生的元素。已知的8种贵重金属依次为：金（Au）、银（Ag）、钌（Ru）、铑（Rh）、钯（Pd）、锇（Os）、铱（Ir）、铂（Pt）。看来，这次双中子星并合甩出来的是一座座大金矿呢！