激光干涉引力波天文台（LIGO）

1. 基本概念与目标
   LIGO是一个大型物理实验与天文观测设施，其核心目标是直接探测宇宙中传来的引力波。引力波是爱因斯坦广义相对论预言的一种现象，由大质量天体剧烈运动（如黑洞合并、中子星碰撞）引发时空本身的涟漪，并以光速传播。LIGO并非传统望远镜，它不探测电磁波，而是探测引力波引起的极其微小的时空畸变。

2. 核心测量原理：迈克耳孙干涉仪的超精密升级
   LIGO的核心是基于迈克耳孙干涉仪原理，但进行了革命性的增强以测量难以想象的微小长度变化。其基本光学结构为：一束激光被分光镜分成两束，分别射入两条互相垂直、长度相等的干涉臂（每臂长达4公里）。光束在臂端被反射镜反射回来，重新汇合发生干涉。当引力波经过时，它会交替地拉伸一条臂同时压缩另一条臂，导致两束光的光程差发生极其微小的变化，从而改变汇合后的干涉光强。通过监测光强的变化，反推出引力波的信息。

3. 关键技术突破：提高灵敏度
   为了探测到原子核尺度万分之一的长度变化（约10^-19米），LIGO采用了一系列尖端技术：

   • 功率回收镜：将激光功率在干涉仪腔内循环增强，有效使用功率可达数百千瓦，以提高信噪比。
   • 法布里-珀罗谐振腔：在每条干涉臂上设置由两端反射镜构成的谐振腔，使激光在其中反复反射，将有效光程增加到约1600公里，极大地放大了引力波引起的光程变化。
   • 超高真空：将4公里长的干涉臂管道抽成超高真空，以消除空气折射率波动对光路的干扰。
   • 主动隔震与悬吊系统：采用多重 pendulums 悬挂反射镜，配合主动反馈系统，隔离地面震动、热噪声等环境干扰，使反射镜在探测频段内近乎自由悬浮。
   • 量子噪声抑制：利用压缩光技术，降低由于光子的量子涨落带来的测量标准量子极限噪声。

4. 观测网络与运行
   LIGO由分别位于美国华盛顿州汉福德和路易斯安那州利文斯顿的两个几乎完全相同的观测站组成。两地相距超过3000公里，其协同工作可以：1）通过符合信号（时差约10毫秒内）排除本地干扰；2）对引力波源进行初步的三角定位。LIGO与全球其他引力波探测器（如意大利的Virgo、日本的KAGRA）组成国际观测网络，显著提升了定位精度。

5. 科学成果与意义
   LIGO于2015年9月首次直接探测到双黑洞合并产生的引力波信号，证实了爱因斯坦的百年预言，开启了引力波天文学的新纪元。其观测成果包括：首次探测到双中子星合并及其伴随的电磁对应体，为多信使天文学奠定基础；不断发现新的黑洞、中子星合并事件，统计其质量分布，深化了对致密天体形成与演化的理解。LIGO代表了当代仪器与测量技术的巅峰，是人类感知宇宙的全新“耳朵”。