引力波是由遙遠的天體產生的時空漣漪，由大型複雜的探測器（如LIGO、Virgo和KAGRA）探測。在探測器數據中尋找引力波信號是一項複雜的任務，需要先進的信號處理技術和超級計算資源。由於這種複雜性，在本科生實驗室解釋引力波搜索是很困難的，特別是由於使用引力波探測器或超級計算機的現場演示是不可能的。通過簡化和類比，桌面演示在解釋這些搜索和技術方面被證明是有效的。

一個由OzGrav科學家組成的團隊，跨越多個機構和學科，設計了一個帶有數據分析實例的桌面演示，以解釋引力波搜索和信號處理技術。該演示可作為物理學和工程學本科生實驗室的教學工具，並在《美國物理學雜誌》上發表。

該項目的主要作者James Gardner（他在項目期間是墨爾本大學的OzGrav本科生，現在是澳大利亞國立大學的研究生研究員）解釋說：“這個演示為一個鮮活的研究領域提供了一些迷人的見解，與他們遇到的大多數想法的年代相比，像我這樣的學生應該欣賞它的時效性。”

引力波探測器是非常複雜和巨大的。但引力波探測器的工作原理是什麼？引力波探測器的工作原理可以用桌面設備來演示。阿德萊德大學的研究人員已經開發出了AMIGO，就是為了做到這一點。這項研究的共同作者、阿德萊德大學OzGrav的博士生Deeksha Beniwal解釋說：“有了AMIGO這個便攜式乾涉儀，我們可以很容易地分享LIGO如何利用光的基本屬性來探測來自宇宙最遙遠的地方的波紋。”

這項工作擴展了便攜式乾涉儀的演示，為物理學和電子工程專業的學生選擇了一些例子。本研究的共同作者、墨爾本大學電氣工程專業OzGrav博士生劉昌榮（音譯）解釋說：“這個項目為像我這樣的電氣工程學生提供了一個很好的機會，讓他們把一些知識投入到真實和令人興奮的物理世界中。”

解釋尋找連續引力波的過程

為了演示用桌面裝置搜索信號，該團隊首先需要製作一些假的信號來尋找！這就是聲音的類比。這就是聲音的比喻的作用：音頻信號被用來模擬與探測器相互作用的引力波。該團隊重點展示了對連續引力波的追尋，這是一種還沒有被探測到的引力波。

該研究的共同作者、OzGrav副研究員（伯明翰大學）Hannah Middleton解釋說：“連續波是來自旋轉的中子星的長效信號。這些信號應該一直存在於探測器的數據中，但挑戰在於如何找到它們。這個演示直接受到OzGrav物理學家和電氣工程師在尋找連續引力波方面所開發的技術的啟發！”

一個連續的波信號可以在頻率上緩慢變化，所以這個演示中使用的音頻信號也在頻率上發生變化。“我們通過使用聲音作為引力波的模擬物，展示了探測流浪音的過程：一個像鯨魚叫聲一樣緩慢改變音調的長信號，”Gardner解釋說。

這項研究的共同作者、OzGrav-Melbourne節點的負責人Andrew Melatos教授解釋說：“我們希望本科生教育工作者能夠強調該項目的跨學科精神，並以此為契機向學生更廣泛地講述物理學和工程學交叉領域的職業。對於有跨學科合作經驗的學生來說，未來的職業前景是非常光明的。”