能量來(lái)源
廣義相對(duì)論預(yù)言下的引力波來(lái)自于宇宙間帶有強(qiáng)引力場(chǎng)的天文學(xué)或宇宙學(xué)波源,作為以波動(dòng)形式和有限速度傳播的引力場(chǎng)。按照廣義相對(duì)論,加速運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生引力波。包括銀河系內(nèi)的雙星系統(tǒng)(白矮星、中子星或黑洞等致密星體組成的雙星),河外星系內(nèi)的超大質(zhì)量黑洞的合并,脈沖星的自轉(zhuǎn),超新星的引力坍縮,大爆炸留下的背景輻射等等。
愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論描述具有質(zhì)量的物體如何在時(shí)空環(huán)境下彎曲,可形象地形容為提供一張緊繃的床單,然后將足球放在床單中心,具有質(zhì)量的物體在時(shí)空下發(fā)生的彎曲,猶如足球周?chē)霈F(xiàn)褶皺的床單。但它也像湖面上泛成的波紋,由加速物體導(dǎo)致的時(shí)空環(huán)境失真將逐漸衰減,因此,當(dāng)它們抵達(dá)地球范圍,則非常難以被探測(cè)到,但不是不可能探測(cè)到。舒茨說(shuō):“在我的意識(shí)中,探測(cè)引力波將打開(kāi)調(diào)查宇宙的新途徑,我們期望能從合并黑洞中頻繁地探測(cè)到引力波,這里的引力波將攜帶真實(shí)可靠的信息。由于引力波是黑洞噴射的唯一放射線,我們將首次直接觀測(cè)到黑洞。”
歷史發(fā)展
間接探尋
20世紀(jì)60年代,美國(guó)馬里蘭大學(xué)的物理學(xué)家韋伯(Joseph Weber)首先提出了一種共振型引力波探測(cè)器。該探測(cè)器由多層鋁筒構(gòu)成,直徑1米,長(zhǎng)2米,質(zhì)量約1000千克,用細(xì)絲懸掛起來(lái)。當(dāng)引力波經(jīng)過(guò)圓柱時(shí),圓柱會(huì)發(fā)生共振,進(jìn)而可以通過(guò)安裝在圓柱周?chē)?span id="ekvy66o" class='hrefStyle'>壓電傳感器檢測(cè)到。韋伯曾經(jīng)在相距1000千米的兩個(gè)地方同時(shí)放置了相同的探測(cè)器,只有兩個(gè)探測(cè)器同時(shí)檢測(cè)到相同的信號(hào)才被記錄下來(lái)。1968年,韋伯宣稱他探測(cè)到了引力波,立刻引起了學(xué)界的轟動(dòng),但是后來(lái)的重復(fù)實(shí)驗(yàn)都一無(wú)所獲。
雖然引力輻射并未被清清楚楚地“直接”測(cè)到,然而已有顯著的“間接”證據(jù)支持它的存在。最著名的是對(duì)于脈沖星(或稱波霎)雙星系統(tǒng)PSR1913+16的觀測(cè)。這系統(tǒng)被認(rèn)為具有兩顆中子星,以極其緊密而快速的模式互相環(huán)繞對(duì)方。其并且呈現(xiàn)了漸進(jìn)式的旋近(in-spiral),旋近時(shí)率恰好是廣義相對(duì)論所預(yù)期的值。根據(jù)廣義相對(duì)論,該雙星系統(tǒng)會(huì)以引力波的形式損失能量,軌道周期每年縮短76.5微秒,軌道半長(zhǎng)軸每年減少3.5米,預(yù)計(jì)大約經(jīng)過(guò)3億年后發(fā)生合并。對(duì)于這樣的觀測(cè),最簡(jiǎn)單(也幾乎是廣為接受)的解釋為:廣義相對(duì)論一定是對(duì)這種系統(tǒng)的重力輻射給出了準(zhǔn)確的說(shuō)明才得以如此。
用激光干涉方法或許可以探測(cè)這個(gè)雙星系統(tǒng)的引力波。自1974年,泰勒(Joseph Hooton Taylor)和赫爾斯(Russell Alan Hulse)和對(duì)這個(gè)雙星系統(tǒng)的軌道進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的觀測(cè),在1980年,他們也是采用精密的射電儀器,由實(shí)驗(yàn)行到觀察值為(3.2±0.01)×10 ^-12,與理論計(jì)算值在誤差范圍內(nèi)正好符合。這可以說(shuō)是引力波的第一個(gè)定量證據(jù)。泰勒和赫爾斯也因這項(xiàng)工作于1993年榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
2012年12月,中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所湯克云研究員領(lǐng)銜的科學(xué)組,在實(shí)施多次日食期間的固體潮觀測(cè)后,發(fā)現(xiàn)現(xiàn)行地球固體潮公式實(shí)際上暗含著引力場(chǎng)以光速傳播的假定,從而提出用固體潮測(cè)量引力傳播速度的方法。最終獲得全球“引力場(chǎng)以光速傳播”的第一個(gè)觀測(cè)證據(jù)。
精確測(cè)量
1991年,麻省理工學(xué)院與加州理工學(xué)院在美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)(NSF)的資助下,開(kāi)始聯(lián)合建設(shè)“激光干涉引力波天文臺(tái)”(LIGO)。LIGO的主要部分是兩個(gè)互相垂直的干涉臂,臂長(zhǎng)均為4000米。在兩臂交會(huì)處,從激光光源發(fā)出的光束被一分為二,分別進(jìn)入互相垂直并保持超真空狀態(tài)的兩空心圓柱體內(nèi),然后被終端的鏡面反射回原出發(fā)點(diǎn),并在那里發(fā)生干涉。若有引力波通過(guò),便會(huì)引起時(shí)空變形,一臂的長(zhǎng)度會(huì)略為變長(zhǎng)而另一臂的長(zhǎng)度則略為縮短,這樣就會(huì)造成光程差發(fā)生變化,因此激光干涉條紋就會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。
LIGO 從 2003 年開(kāi)始收集數(shù)據(jù)。它是全世界最大的、靈敏度最高的引力波探測(cè)所。而全世界共有4個(gè)引力波探測(cè)器,兩個(gè)探測(cè)器部署在華盛頓州漢福德市,一個(gè)探測(cè)器部署在路易斯安那州利文斯頓市。另外一個(gè)探測(cè)器位于意大利Cascina地區(qū),是VIRGO計(jì)劃的一部分。
這兩套 LIGO 干涉儀在一起工作構(gòu)成一個(gè)觀測(cè)所。這是因?yàn)榧す鈴?qiáng)度的微小變化、微弱地震和其它干擾都可能看起來(lái)像引力波信號(hào),如果是此類干擾信號(hào),其記錄將只出現(xiàn)在一臺(tái)干涉儀中,而真正的引力波信號(hào)則會(huì)被兩臺(tái)干涉儀同時(shí)記錄。此外,對(duì)引力波的檢測(cè)需要極其高的技術(shù)條件:比如隔離真空、隔離振動(dòng)等。隔離振動(dòng)包括外部環(huán)境致使的振動(dòng)和內(nèi)部設(shè)備引起的振動(dòng)。所以,科學(xué)家可以對(duì)二個(gè)地點(diǎn)所記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較得知哪個(gè)信號(hào)是噪聲。
直接探測(cè)
2016年2月11日,LIGO宣布,于2015年9月14日首次探測(cè)到引力波,證實(shí)了愛(ài)因斯坦100年前所做的預(yù)測(cè),直接探測(cè)到引力波的存在,彌補(bǔ)了愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證中最后一塊缺失的“拼圖”。科學(xué)家花費(fèi)數(shù)個(gè)月時(shí)間驗(yàn)證數(shù)據(jù)并通過(guò)審查程序,才宣布這個(gè)訊息,標(biāo)志著全球各地研究團(tuán)隊(duì)數(shù)十年努力的最高潮。
能量性質(zhì)
引力波是橫波,在遠(yuǎn)源處為平面波;有兩個(gè)獨(dú)立的偏振態(tài);攜帶能量等。引力波攜帶能量,應(yīng)可被探測(cè)到 。但引力波的強(qiáng)度很弱,而且,物質(zhì)對(duì)引力波的吸收效率極低,直接探測(cè)引力波極為困難。曾有人宣稱在實(shí)驗(yàn)室里探測(cè)到了引力波,但未得到公認(rèn)。天文學(xué)家通過(guò)觀測(cè)雙星軌道參數(shù)的變化來(lái)間接驗(yàn)證引力波的存在 。例如,雙星體系公轉(zhuǎn)、中子星自轉(zhuǎn)、超新星爆發(fā),及理論預(yù)言的黑洞的形成、碰撞和捕獲物質(zhì)等過(guò)程,都能輻射較強(qiáng)的引力波。我們所預(yù)期在地球上可觀測(cè)到的最強(qiáng)引力波會(huì)來(lái)自很遠(yuǎn)且古老的事件,在這事件中大量的能量發(fā)生劇烈移動(dòng)(例子包括兩顆中子星的對(duì)撞,或兩個(gè)極重的黑洞對(duì)撞)。這樣的波動(dòng)會(huì)造成地球上各處相對(duì)距離的變動(dòng),但這些變動(dòng)的數(shù)量級(jí)應(yīng)該頂多只有10^-21。以LIGO引力波偵測(cè)器的雙臂而言,這樣的變化小于一顆質(zhì)子直徑的千分之一。
觀測(cè)意義
引力波的觀測(cè)意義不僅在于對(duì)廣義相對(duì)論的直接驗(yàn)證,更在于它能夠提供一個(gè)觀測(cè)宇宙的新途徑,就像觀測(cè)天文學(xué)從可見(jiàn)光天文學(xué)擴(kuò)展到全波段天文學(xué)那樣極大擴(kuò)展人類的視野。英國(guó)天文物理學(xué)大師霍金表示,他相信這是科學(xué)史上重要的一刻。“引力波提供看待宇宙的嶄新方式,發(fā)現(xiàn)它們的能力,有可能使天文學(xué)起革命性的變化。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)是首度發(fā)現(xiàn)黑洞的二元系統(tǒng),是首度觀察到黑洞融合。”
傳統(tǒng)的觀測(cè)天文學(xué)完全依靠對(duì)電磁輻射的探測(cè),而引力波天文學(xué)的出現(xiàn)則標(biāo)志著觀測(cè)手段已經(jīng)開(kāi)始超越電磁相互作用的范疇,引力波觀測(cè)將揭示關(guān)于恒星、星系以及宇宙更多前所未知的信息。
因?yàn)橐Σㄖ苯勇?lián)系著波源整體的宏觀運(yùn)動(dòng),而非如電磁波那樣來(lái)自單個(gè)原子或電子的運(yùn)動(dòng)的疊加,因此引力輻射所揭示的信息與電磁輻射觀測(cè)到的完全不同。例如對(duì)一個(gè)雙星系統(tǒng)觀測(cè)到的引力波的偏振揭示了其雙星軌道的傾斜度,這類關(guān)于波源運(yùn)動(dòng)的宏觀信息通常無(wú)法從電磁輻射觀測(cè)中取得。
如果比較波長(zhǎng)與波源尺寸的關(guān)系,宇宙間的引力波并不像電磁波那樣波長(zhǎng)比波源尺寸小很多,這使得引力波天文學(xué)通常不能像電磁波天文學(xué)那樣對(duì)波源進(jìn)行拍照成相,而是類似聲波直接從波形分析波源的性質(zhì)。 大多數(shù)引力波源很難或根本無(wú)法通過(guò)電磁輻射直接觀測(cè)到(例如黑洞),這個(gè)事實(shí)反過(guò)來(lái)也成立;考慮到一般認(rèn)為宇宙間不發(fā)射任何電磁波的暗物質(zhì)所占比例要遠(yuǎn)大于發(fā)射電磁波的已知物質(zhì),暗物質(zhì)與外界的唯一相互作用即是引力相互作用,引力波天文學(xué)對(duì)這些暗物質(zhì)的觀測(cè)具有重要意義。
引力波與物質(zhì)的相互作用非常弱,在傳播途徑中基本不會(huì)像電磁波那樣容易發(fā)生衰減或散射,這意味著它們可以揭示一些宇宙角落深處的信息,例如宇宙誕生時(shí)形成的引力輻射至今仍然在宇宙間幾乎無(wú)衰減地傳播,這為直接觀測(cè)大爆炸提供了僅有的可能。
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