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引力波是什么?为什么那么难被发现

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发表于 2016-1-26 12:59:51 | 显示全部楼层 |阅读模式
爱因斯坦广义相对论中有一个重要预言,如果大质量天体发生碰撞、超新星爆发等极端宇宙事件会产生强大的引力波。这是一种时空涟漪,就像波一样传递开来,数十年内科学家一直在寻找引力波,但都没有发现。2015年9月,美国亚利桑那州立大学有了新的发现,科学家劳伦斯·克劳斯指出激光干涉引力波天文台发现了引力波,如果这个发现属实,那么将是一次轰动性的科学事件。激光干涉引力波天文台位于美国,从1999年建成开始,就一直在寻找引力波,近年来完成了新一轮的升级改造,目的就是发现引力波。


  对于激光干涉引力波天文台的发现,也有科学家质疑这个发现成果,以至于有传言指出这个引力波信号可能是虚假信号。由于引力波非常微弱,探测引力波需要较高的精度,因此一个微小的误差都会造成假信号的出现,让引力波信号失真。激光干涉引力波天文台的研究人员冈萨雷斯认为现在给出数据还太早,发布引力波被发现的消息可能会引起误解。事实上这项工作仍然在验证之中,如果结果确定是假信号,岂不是最后变成了谎报军情?目前美国激光干涉引力波天文台的引力波发现所透露的消息不多,官方发言人称待结果确定后会公布。


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爱因斯坦广义相对论中有一个重要预言,如果大质量天体发生碰撞、超新星爆发等极端宇宙事件会产生强大的引力波


引力波是什么?


  激光干涉引力波天文台的发现再次让引力波成为公众焦点,引力波的理论提出很早,但我们至今没有发现。引力波的基础理论来自广义相对论中的引力辐射理论,相对论中预言了引力波会产生于强引力场的天体事件。有趣的是宇宙中的强引力场天体非常之多,比如超大质量黑洞合并,脉冲星自转、超新星爆发等都是引力波的强有力来源。引力波与电磁波天文学又有不同的地方,比如引力波无法通过电磁辐射直接观测,引力波与宇宙中物质的相互作用是非常微弱的,可以传播至很远的宇宙空间。

  引力波的探测目前仍然存在困难,科学家认为引力波尽管有间接的证据显示其存在,但直接证据缺乏。在过去十多年内,科学家通过毫秒级脉冲星信号的筛查来发现引力波,但是也没有结果。对此科学家也提出了几种可能性的解释,比如引力波或位于高频段上,中子星合并产生的引力波需要利用灵敏度更高的探测器进行观测。这也是为什么激光干涉引力波天文台每隔一段时间要升级的原因,如果在这个频段没有新的发现,就要继续升级。


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超大质量黑洞合并,脉冲星自转、超新星爆发等都是引力波的强有力来源


有哪些装置可探测引力波?


  目前比较著名的要数激光干涉引力波天文台,1999年建成的时候,造价接近4亿美元,在美国路易斯安那州列文斯顿和华盛顿州的哈福德之间有两个探测器,呈现L型排列,利用迈克耳逊干涉仪原理进行测量引力波。L型测量臂很长,达到4公里,两个测量臂垂直排列,两端各有反射镜面。科学家认为激光在测量反射臂上来回反射,如果干涉条纹发生了变化,就说明探测到了引力波事件。2005年之后,激光干涉引力波天文台再次进行了升级,使用更高功率的激光器和避震措施,降低误差。


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激光干涉引力波天文台


  在意大利的比萨附近也有类似的装置,一个双臂探测器长度达到3公里,是欧洲测量引力波的关键设备。德国汉诺威也有引力波测量装置,两个测量臂长度为600米。欧洲前不久还发射了LISA探路者航天器,定点在拉格朗日点L1上,距离地球大约150万公里。德国达姆施塔特是LISA探路者航天器的控制中心,探测器主要任务目的就是寻找宇宙中的引力波,内部带有2公斤的金铂合金立方体,数量为两个,为垂直放置,如果两个立方体位置发生变化,就证明探测到了引力波的存在。不过这个任务仅仅是欧洲空间局引力波空间探测计划的一部分,侧重于演示和验证。


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德国达姆施塔特是LISA探路者航天器的控制中心,探测器主要任务目的就是寻找宇宙中的引力波


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。


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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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