确认通过分析激光干涉引力波的首次检测数据

大约在7点在2015年9月14日,我收到一封电子邮件从我的同事通知我一个非凡的事件:在欧洲两个探测器的激光干涉引力波天文台(LIGO)同时确定了一个短暂的引力波信号时空“涟漪”。

作为团队的一员,LIGO仪器开发,我很兴奋但也有点担心。我很兴奋,因为如果信号是真实的,它将标志着第一次重力波曾经直接观察,证实了爱因斯坦的预言的存在,一个世纪前。这也将标志着第一次观察一对黑洞合并形成一个黑洞。然而,我和我的同事们都担心,因为我们还不知道是否信号来自真正的重力波,或者仅仅是一些错误的结果在LIGO控制系统和仪表。

我立刻把LIGO数据下载到我的笔记本电脑,打开了MATLAB^®,并开始分析和可视化数据记录信号。在接下来的几个月,我的LIGO和我的同事确认,事实上,发现重力波,并确定其来源:两个黑洞的灾难性的碰撞与结合质量60倍太阳星系超过十亿光年(图1)。

MATLAB是所使用的语言在世界上几乎每一个团队设计重力波探测器。它是第一个工具我去当我想设计一种乐器或看数据的乐器。LIGO,我们用它来分析基本噪声限制引力波探测器性能,计算的光学响应我们的干涉仪,并验证整个控制链,以确保我们观察到的结果的有效性。

建立世界上最精确的位移测量仪

在我们观察到黑洞的碰撞中,在10^30.公斤的质量被转化为重力波能量,大部分排放在不到一秒。由这个事件是重力波功率辐射超过10倍的光功率可观测宇宙的每一个恒星和星系。检测它,然而,我们必须设计和建造史上最敏感的仪器为测量位移:创建两个激光干涉仪能够测量距离的10的变化^-18年米。

LIGO引力波天文台是世界上最大的。其两个干涉仪相隔3000多公里,一个在路易斯安那州和其他在华盛顿。在LIGO干涉仪类似面向两臂成直角。在LIGO网站,每个臂长4公里。我们照一束激光通过分束器,指挥两个输出光束两臂的两端,他们正是面向镜子反射回来,(图2)。在稳定状态下,梁,在相同的距离旅行通过每个武器,满足在一个终端光电探测器在阶段。当引力波通过这个结构,它扭曲了干涉仪的手臂,短暂的缩短和延长第二然后扭转这种变化。长度在两臂之间的差异是miniscule-about 1/1000^th直径的质子但它足以影响的两束穿过手臂。结果,他们到达光电探测器的阶段(从一个另一个在不同的时间),产生了干涉图样,我们可以测量和观察。

由于引力波以光速旅行,如果通过一个地球,它会产生相似的干涉图样在路易斯安那州和华盛顿探测器在10毫秒(两者之间的旅行时间光位置)。这正是我们的系统检测到9月14日上午。

噪声分析和光学干涉仪设计建模工具

地球上许多噪声源能够引起微小长度变化LIGO的怀抱。调查的基本噪声与重力波探测器设计,我们使用一个重力波干涉噪声计算器(GWINC)。完全用MATLAB开发,世界各地的物理学家使用这个工具来计算地震,热,量子和其他噪音限制引力波探测器性能(图3)。

LIGO干涉仪的设计和持续的提高有赖于全面了解噪声的影响。它还依赖于理解的光学系统,包括光束分割,眼镜,和镜子都在一起,完整的系统。帮助研究人员在这方面的干涉仪设计,我开发了Optickle,基于MATLAB工具干涉仪的频域建模与仿真。Optickle生成转移函数的光学装置,使物理学家计算和可视化几乎任何干涉的光学机械频率响应,包括那些在LIGO(图4)。

更新过滤器

LIGO有数以千计的数字滤波器对噪声抑制和信号处理模块。当前关于其前辈的LIGO设置的一个优点是能够更新这些过滤器。在过去,我们不得不关闭然后重新启动系统,这个过程花了一个小时。今天,我们可以改变无限脉冲响应(IIR)滤波器系数模块在大约一分钟没有关闭系统。

这种能力是通过干涉仪实时控制系统的一个模型,我们在MATLAB和Simulink中创建金宝app^®。例如,抑制运动的镜子下面5赫兹,引起的微震的山峰从海浪撞击海岸,我们需要改变过滤器添加更多的增益控制回路。在MATLAB中,我们分析了反馈回路的控制系统和检查阶段的循环。绘制必要的转移函数和确定后我们可以添加,我们生成新的滤波器系数和加载到干涉仪的过滤器modules-all同时运行。

验证第一个检测和预测未来

在最初的检测之后,我花了好几天时间在MATLAB分析LIGO事件的数据,以确保信号系统中没有错误引起的。为此我复制整个控制链和引力波信号通路在MATLAB中,包括所有使用的滤波器参数,以及测量的检测信号,通过系统。这种分析给了我们信心,被两个干涉仪的信号来自于一个真正的重力波。

关于第一个事件三个月后,在圣诞前夜,第二次发现了重力波。这是小,两个黑洞合并的结果,8和14倍太阳质量。第二次检测提供了进一步的证据,第一个没有侥幸,这证实了我们已经进入了一个新的时代的引力波天文学。

引力波宇宙给我们一个全新的视角,使我们能够研究事件之前看不见我们。我期待探索每一个新发现的数据在MATLAB和使用我们开发的工具来进一步提高重力波探测器仪表。