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宇宙的颤抖:引力波

2019-03-05  邹君山

引力波顾名思义,就是引力源的运动产生的引力波动,这个波动就是时空的涟漪。这个提法是爱因斯坦和爱丁顿最早从理论上给出的预言。有了理论预言自然就有科学家想去探测引力波的存在。

第一个开始进行引力波探测的是美国物理学家约瑟夫·韦伯。他是1959年首次提出了引力波的探测方案,1969年底,韦伯在权威杂志《物理评论快讯》上列出一系列零时延迟事件的超出值,并声明这是真正的引力波迹象。这意味着,他探测到的每一个脉冲将意味着比人们所能想象得出的事件所爆发的能力还要高出几百万倍的引力波的闪烁。但是后人一直也没能成功重复韦伯这个实验。

宇宙的颤抖:引力波

老郭(郭哥论道)开始关注引力波这个话题还是从辽宁一位下岗工人在7年前参加电视节目时提到“引力波”遭到讥讽的视频在网上热传这个事件开始的。从那时,老郭觉得自己落伍了,必须及时补脑,于是买了一《本广义相对论基础教程》开始学习。

结果这一开始才发现,原来广义相对论真的不是那么简单的。单是黎曼几何和张量分析,老郭就花了一年多的时间才能看明白写的是啥(无奈啊,本科毕业,没学过这么高深的数学)。有了这个数学工具,才能勉强看懂广义相对论的基础入门部分。今天老郭来跟各位爱好科学的小伙伴们聊聊引力波这个话题。

宇宙的颤抖:引力波

脉冲双星系统辐射引力波

1974年年底,修斯和泰勒研究了射电脉冲双星PSR1913+16,这是致密双星系统中的一颗脉冲星。通过多年的监视观测和分析,求得其轨道公转周期变小的变化率与广义相对论计算的引力波辐射造成的辐射阻尼的预言符合得非常好,从而间接地证明了引力波的存在,为此他们获得了1993年的诺贝尔物理学奖。

但是,对引力波的直接观测一直没有成功。1990年前后国际上就积极筹建并已经于1999年,在路易斯安那州的利文斯顿与在华盛顿州的汉福德分别建成相同的探测器。这也是近30年来耗资最大的物理实验了。

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 LIGO引力波探测器

另外,还有一些正在建造或运作中的地面干涉仪,例如,法国和意大利合作建造的处女座干涉仪(VIRGO)(臂长3000米)、德国和英国合作的GEO600(臂长600米)、以及日本正在建造中的神冈引力波探测器(KAGRA)(臂长3000米)等。另外,欧洲空间局(ESA)正在建造未来在太空中运行的激光干涉空间天线(LISA),其将会被用来探测低频引力波信号。

2002年LIGO正式进行第一次探测引力波,2010年结束搜集数据。在这段时间内,并未探测到引力波,但是整个团队获得了很多宝贵经验,灵敏度也越加改善。在2010年与2015年之间,LIGO又经历大幅度改良,升级后的探测器被称为“先进LIGO”(aLIGO),于2015年再次开启运作。经过多年不懈努力,LIGO科学团队与VIRGO团队终于在2015年9月14日探测到两个黑洞并合所产生的引力波。

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引力波观测到的两个中子星合并

在2015年12月26日、2017年1月4日、2017年8月14日分别三次探测到两个黑洞并合所产生的引力波,又在2017年8月17日探测到两个中子星并合所产生的引力波事件,这标志着多信使天文学的新纪元已经来临。

2016年, LIGO 科学团队与 VIRGO 团队共同宣布,在2015年9月14日测量到在距离地球13亿 光年 处的两个黑洞合并所发射出的引力波信号。之后,又陆续探测到多次引力波事件。

由于引力波的相干性和极强的穿透性,引力波的检测和波形的研究对于现代天文学和物理学有极其重大的意义。科学家们预期对引力波的探测至少将对以下几个方面有所贡献:

1、引力波可以穿透超新星爆炸是产生的不透光的壳层,通过对超新星爆炸时产生的引力波波形的分析,人类将首次了解到超新星爆炸过程中内核的变化情况;

2、通过引力波的研究人类将可能直接确定黑洞的存在,可以测量黑洞和中子星的质量,结构,产生率及其在宇宙中的分布,进一步认识伽马爆与致密双星互绕结合的关系;

3、可以确定在极高密度下(密度大于5后面15个零千克每立方米)物质的物态方程;

4、可以研究早期宇宙(符合时期以前)的状态。

总之,引力波作为不同于电磁波的一个全新窗口将对人类认识自然界和宇宙空间产生巨大的影响。

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