[论文解读] Correlated Detection of sub-mHz Gravitational Waves by Two Optical-Fiber Interferometers

Reginald T. Cahill, Finn Stokes|ArXiv.org|Feb 18, 2008

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 9被引用 11

一句话总结

本论文首次通过相距1.1公里的两台紧凑型低成本光纤光学干涉仪，实现了对亚毫赫兹频段引力波的同步探测。探测器利用光纤中光速各向异性的特性来感知引力波效应，揭示了应变谱指数为 $ a = -1.4 \pm 0.1 $，并在80天的数据采集过程中观测到明显的地球自转与公转效应。

ABSTRACT

Results from two optical-fiber gravitational-wave interferometric detectors are reported. The detector design is very small, cheap and simple to build and operate. Using two detectors has permitted various tests of the design principles as well as demonstrating the first simultaneous detection of correlated gravitational waves from detectors spatially separated by 1.1km. The frequency spectrum of the detected gravitational waves is sub-mHz with a strain spectral index a=-1.4 +/- 0.1. As well as characterising the wave effects the detectors also show, from data collected over some 80 days in the latter part of 2007, the dominant earth rotation effect and the earth orbit effect. The detectors operate by exploiting light speed anisotropy in optical-fibers. The data confirms previous observations of light speed anisotropy, earth rotation and orbit effects, and gravitational waves.

研究动机与目标

• 展示利用低成本、紧凑型光纤光学干涉仪探测亚毫赫兹引力波的可行性。
• 验证在空间分离的探测器之间引力波效应的相关性。
• 在长时间观测期内表征低频引力波的频谱特性与方向行为。
• 检验光纤中光速各向异性是否能够实现引力波效应探测的假设。
• 通过观测动力学三维空间的物理效应，区分洛伦兹与爱因斯坦对狭义相对论的解释。

提出的方法

• 采用改进的迈克尔逊干涉仪设计，使用单模保偏光纤。
• 使用2×2光束分束器与光束合束器重新组合光路，生成基于强度的干涉信号。
• 在每个干涉仪臂中引入相对于当地子午线的小角度偏移（5°与11°），以增强对方向性引力波效应的敏感度。
• 采用氦氖激光器（波长633 nm）作为相干光源，通过光电二极管探测器实时测量相位差并记录数据。
• 应用温度稳定措施与光纤环路结构，以减小有效光程长度并提升信号稳定性。
• 对时间序列数据进行分析，提取与地球自转和公转运动相关的调制模式，实现赤经与赤纬的校准。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用紧凑型低成本光纤光学干涉仪设计探测亚毫赫兹引力波？
• RQ2 两个空间分离的探测器之间是否存在可测量的引力波信号相关性？
• RQ3 所探测到的亚毫赫兹引力波信号的频谱特性与应变谱指数为何？
• RQ4 地球自转与公转在多大程度上调制了探测到的信号？
• RQ5 观测到的光纤中光速各向异性是否支持动力学三维空间的存在，如洛伦兹解释狭义相对论所预测的那样？

主要发现

• 首次实现了相距1.1公里的两台光纤光学干涉仪对相关亚毫赫兹引力波的同步探测。
• 探测到的引力波信号表现出应变谱指数 $ a = -1.4 \pm 0.1 $，表明其功率谱与频率呈幂律依赖关系。
• 观测到显著的地球自转调制效应，表现为12小时周期性变化，其特征受探测器相对于子午线的偏移角度影响。
• 地球公转运动在信号最小值与最大值的时间点上表现为长期趋势，与恒星日与公转效应一致。
• 数据支持动力学三维空间的存在，光纤中光速各向异性作为引力波效应的物理探针。
• 结果在多种实验方法与历史观测中保持一致，进一步支持洛伦兹解释相较于爱因斯坦时空形式主义的有效性。