减震悬架系统

 

引力波穿过探测器时,引起会透镜之间位置的变化,这个极小的变化量仅仅只有10-20米。然而,即使是平常的海浪或者探测器周围经过车辆,对镜子的移动都能达到了10-9米,这比我们要测量的引力波信号大很多个量级。

为了能探测到引力波,必须降低镜子对其他振动的响应。地球的表面无时无刻都在振动着,而且包含了各种频率的振动,这些振动主要来自地震活动,或是人类的活动:汽车、火车等等。建造在地面上的探测器,不可避免的会随之而振动,这就产生了我们不希望的噪声信号。我们把这种地面的振动产生的噪声统称为‘地震噪声’。为了减小地面振动对引力波探测的影响,我们把干涉仪的镜子放置在一个机械悬架系统中。类似于汽车中为了隔绝轮胎受到地面冲击的减震系统。

机械悬架系统的隔振原理是什么呢?它是由很多单摆系统巧妙组合起来的。它利用了单摆的这样一个特性:单摆只对频率等于其共振频率的外力响应很大,当悬挂点受的外力频率要远大于单摆的共振频率时,单摆的振动非常小,几乎不怎么受外力影响。如果我们将镜子由悬线悬挂起来,这就形成了一个单摆,那么镜子对高于这个单摆共振频率的地面振动响应就会大大减小。利用多个单摆的组合,我们就可以形成多级的隔振系统,从而进一步降低地面振动产生的影响。只要单摆的谐振频率比我们探测的引力波频率要小,我们就能降低地震对引力波信号的干扰。

GEO 600 反射镜悬架系统

GEO 600 反射镜悬架系统。 图片来源:汉诺威爱因斯坦研究所

对于像波浪产生的地面振动,其频率很低,悬架系统并不能很好地将其隔绝掉。当然我们可以用更长的悬线使得单摆的谐振频率更低,但目前这是没有必要的,因为我们关心的引力波频率相对还是很高,这些低频的地面振动不会对探测高频引力波信号有什么影响。

在实际的应用中,我们还得考虑系统的复杂程度。当单摆的个数和长度增加时,相应的悬架系统会很难控制,而且造价也会很高。因此,我们在设计悬架系统时,要综合考虑隔振效果和复杂程度并做权衡。

我们的Processing小程序Pendulum(单摆)提供了一个在线的单摆运动演示,通过它,大家可以加深对单摆隔振原理的理解。