【到底什么是引力波】一文读懂引力波到底是什么?引力波有什么作用?

2019-11-25 - 引力波

在物理学中,引力波是指时空弯曲中的涟漪,通过波的形式从辐射源向外传播,这种波以引力辐射的形式传输能量。在1916年 ,爱因斯坦基于广义相对论预言了引力波的存在。引力波的存在是广义相对论洛伦兹不变性的结果,因为它引入了相互作用的传播速度有限的概念。相比之下,引力波不能够存在于牛顿的经典引力理论当中,因为牛顿的经典理论假设物质的相互作用传播是速度无限的。

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各种各样的引力波探测器正在建造或者运行当中,比如 advanced LIGO(aLIGO)从2015年9月份开始运行观测。

可能的引力波探测源包括致密双星系统(白矮星,中子星和黑洞)。在2016年2月11日,LIGO科学合作组织和Virgo合作团队宣布他们已经利用高级LIGO探测器,已经首次探测到了来自于双黑洞合并的引力波信号。

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2016年6月16日凌晨,LIGO合作组宣布:2015年12月26日03:38:53 (UTC),位于美国汉福德区和路易斯安那州的利文斯顿的两台引力波探测器同时探测到了一个引力波信号;这是继 LIGO 2015年9月14日探测到首个引力波信号之后,人类探测到的第二个引力波信号 。

【到底什么是引力波】一文读懂引力波到底是什么?引力波有什么作用?
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2017年10月16日,全球多国科学家同步举行新闻发布会,宣布人类第一次直接探测到来自双中子星合并的引力波,并同时"看到"这一壮观宇宙事件发出的电磁信号。

在爱因斯坦的广义相对论中,引力被认为是时空弯曲的一种效应。这种弯曲是因为质量的存在而导致。通常而言,在一个给定的体积内,包含的质量越大,那么在这个体积边界处所导致的时空曲率越大。当一个有质量的物体在时空当中运动的时候,曲率变化反应了这些物体的位置变化。在某些特定环境之下,加速物体能够对这个曲率产生变化,并且能够以波的形式向外以光速传播。这种传播现象被称之为引力波。

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当一个引力波通过一个观测者的时候,因为应变(strain)效应,观测者就会发现时候时空被扭曲。当引力波通过的时候,物体之间的距离就会发生有节奏的增加和减少,这个频率对于这了引力波的频率。这种效应的强度与产生引力波源之间距离成反比。

绕转的双中子星系统被预测,在当它们合并的时候,是一个非常强的引力波源,由于它们彼此靠近绕转时所产生的巨大加速度。由于通常距离这些源非常远,所以在地球上观测时的效应非常小,形变效应小于1.

0E-21。科学家们已经利用更为灵敏的探测器证实了引力波的存在。目前最为灵敏的探测是aLIGO,它的探测精度可以达到1.0E-22。更多的空间天文台(欧洲航天局的eLISA计划,中国的中国科学院太极计划,和中山大学的天琴计划)目前正在筹划当中。

引力波应该能够穿透那些电磁波不能穿透的地方。所以猜测引力波能够提供给地球上的观测者有关遥远宇宙中有关黑洞和其它奇异天体的信息。而这些天体不能够为传统的方式,比如光学望远镜和射电望远镜,所观测到,所以引力波天文学将给我们有关宇宙运转的新认识。

尤其,引力波更为有趣的是,它能够提供一种观测极早期宇宙的方式,而这在传统的天文学中是不可能做到的,因为在宇宙再合并之前,宇宙对于电磁辐射是不透明的。所以,对于引力波的精确测量能够让科学家们更为全面的验证广义相对论。

图  引力波谱

不同引力波源所对应的频率范围(注意频率是取了对数后的值),周期。以及所对应的探测方式。

通过研究引力波,科学家们能够区分最初宇宙奇点所发生的事情。原则上,引力波在各个频率上都有。不过非常低频的引力波是不可能探测到的,在非常高频的区域,也没有可靠的引力波源。霍金(Stephen Hawking) 和 以色列(Werner Israel) 认为可能可以被探测到的引力波频率,应该在1.0E-7 Hz 到1E11Hz之间。

引力波在不断的通过地球;然而,即使最强的引力波效应也是非常小的,并且这些源距离我们很远。比如GW150914在最后的剧烈合并阶段所长的引力波,在穿过13亿光年之后到达地球,最为时空的涟漪,也仅仅将LIGO的4公里臂长改变了一个质子直径的万分之一,也相当于将太阳系到我们最近恒星之间距离改变了一个头发丝的宽度。这种及其微小的变化,如果不借用异常精密的探测器,我们根本是探测不到的。

图   LIGO的两个观测站探测到了同一个引力波事件。

上面为观测得到的曲线,下面是和理论相比较之后的拟合结果。

2、发现引力波意味着什么?

引力波的发现意义重大,从科学意义上看,引力波可以直接与宇宙大爆炸连接。广义相对论中预言的引力波也可以产生于宇宙大爆炸中,这就是说大爆炸之初的引力波在137亿年后的今天仍然可以探测到。一旦我们发现了宇宙大爆炸时期的引力波,就可以揭开宇宙的各种谜团,甚至了解宇宙的开端和运行机制。

因此也有这样的说法,如果引力波的发现被确定,那么几乎可以肯定会入选诺贝尔奖。1993年的诺贝尔奖就是授予了间接发现引力波存在的科学家,当时两位科学家泰勒和赫尔斯对脉冲星双星系统PSR1913 16进行研究,发现其系统内有两颗中子星,它们快速围绕对方公转,最终发现了引力波间接证据。

一旦我们发现了宇宙大爆炸时期的引力波,就可以揭开宇宙的各种谜团,甚至了解宇宙的开端和运行机制

2014年3月,BICEP2望远镜科学家称发现了宇宙大爆炸时期产生的原初引力波,这个发现瞬间轰动了世界,科学家在宇宙微波背景辐射中探测到B模偏振,认为这是原初引力波的证据。这个发现不仅意味着我们探测到引力波,而且还发现大爆炸时期的引力波,更令人惊讶的是根据这个理论我们甚至可以推出平行宇宙的存在。

不过,很快BICEP2望远镜的发现成果被否定,科学家验证后发现是银河系的尘埃对观测形成干扰,这个发现是错误。

由此也可以看出,引力波对于现代天文学而言是多么重要,一旦发现引力波直接证据,我们就能够通过这个途径观测并研究它,进而揭开宇宙深层奥秘。

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