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认识引力波  

2018-02-05 15:12:13|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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        引力波最早缘于爱因斯坦在 1915 年发表的广义相对论的引力场方程。爱 因斯坦发现,方程中的一个解具有波动 性质:横波,以光速传播,有两个张量 极化。但是,由于引力波的振幅太小, 爱因斯坦本人不相信人类能探测到它。 而 对 于 这 个 解 的 探 讨, 直 到 1957 年 Chapel Hill 会议之后,科学界才对引力 波是真实的物理存在达成共识,因为它 能携带能量。引力波携带能量这个事实 是经过天文观测确定的。 
        1974 年,美国物理学家泰勒和赫尔 斯利用射电望远镜,发现了由两颗质量 大致与太阳相当的中子星组成的相互旋 绕的双星系统。由于两颗中子星的其中 一颗是脉冲星,利用它精确的周期性射 电脉冲信号,可以无比精准地知道两颗 致密星体在绕其质心公转时它们轨道的 半长轴以及周期。这是人类第一次得到 引力波存在的间接证据,是对广义相对 论引力理论的一项重要验证。根据广义 相对论,当两个致密星体近距离彼此绕 旋时,该体系会产生引力辐射。辐射出 的引力波带走能量,所以系统总能量会 越来越少,轨道半径和周期也会变短。 泰勒和他的同行对 PSR1913+16 做了 认识引力波 PSR1913+16转动周期累积移动观测值与广义相对 论预言值的比较。 因类似石头被丢进水里产生的波纹,引力波被科学家们形象地称为 “时空的涟漪”。黑洞、中子星等天体在碰撞过程中有可能产生引力波。 20 世纪初,爱因斯坦的广义相对论预言了引力波的存在,但也预言因 其太微弱,不可能被探测到。因此,引力波一直徘徊在科学家的“视线” 之外,成为广义相对论实验验证中最后一块缺失的“拼图”。一百多年 来,引力波研究者为寻找它殚精竭虑,翘首以待这一宇宙物质的波动光 顾地球。如今,引力波的发现为爱因斯坦理论的验证画上了完美句号, 打开了人类认识宇宙的一扇新窗,拓宽了人类对宇宙前所未有的想象空 间,也开启了全新的引力波天文学时代。 一个世纪的求索 , 众里寻它千百度。在这条捕捉引力波的漫长路途 中,无数科学家“衣带渐宽终不悔,为伊消得人憔悴”。引力波的发现 让人类感受到科学本身展示出的伟大与魅力,更是对坚守理想信仰的科 学家们最好的回馈。“我认为原初引力波是世界上最美好的东西,比所 有东西都美好,所有。”基普·索恩在北师大演讲时说到。理想守正, 内心沉潜,你所追寻的,终将到来。 持续观测,观测结果精确地按广义相对 论所预测的那样:周期变化率为每年减 少 76.5 微秒,半长轴每年缩短 3.5 米。 泰勒和赫尔斯因此荣获 1993 年诺贝尔 物理学奖。 
        广义相对论,简单地说,就是时空 告诉物质如何运动;物质告诉时空如何 弯曲。当物质的分布改变时,时空也会 相应变化,这一变化以光速向外传播。 如果说平直时空是一面平静的湖水,你 丢下一粒小石子,湖面就会有水波向外 荡漾开去,那么,这种涟漪就是引力波。 简言之:引力波正是时空的涟漪。物体 质量越大,运动越剧烈,其释放的引力 波也越强。 
        当这阵时空的涟漪竖直穿过由一组 静止粒子组成的圆所在平面时,圆形的 形状会发生变化。(如图) 
        经过艰苦的探索,引力波探测终成 正果。伴随着科学技术的发展,人类对 引力波的探测愈加深入,宇宙的神秘面 纱也被逐层揭开。
         2015 年 9 月 14 日 格 林 尼 治 标 准 时 间 9 点 50 分 45 秒,LIGO 位 于 美 国利文斯顿与汉福德的两台探测器同 时探测到了引力波瞬时事件 , 命名为 GW150914。GW150914 是 一 个 36 倍太阳质量的黑洞和一个 29 倍太阳质 量黑洞并合事件,合成了一个 62 倍太 阳质量的黑洞。2016 年 2 月 11 日(北 京时间 23 时 30 分),美国国家科学基 金会召集了来自加州理工学院、麻省理 工学院以及 LIGO 科学合作组织的科学 家在华盛顿特区国家媒体中心宣布:已 于 2015 年 9 月 14 日, 利 用 LIGO 探 测器首次直接探测到来自于两个黑洞合 并的引力波信号。人类有史以来第一次 直接探测到引力波,并且首次观测到双 黑洞碰撞与并合。引力波的发现是一项 划时代的科学成就,是科学史上的一座 里程碑。
         2015 年 12 月 26 日, 来 自 LIGO 和 VIRGO 合作组织的科学家收到了一 份意料之外的圣诞礼物——在首次探测 到引力波信号仅 3 个月之后,LIGO 的 两个探测器就再次记录到了新的引力波 信号。跟上次一样,这一引力波信号源 自于两个黑洞即将合二为一之时最后的 相 互 绕 转, 这 种 现 象 被 称 为“ 并 合” (coalescence)。 
        2017 年 1 月 4 日,LIGO 第三次单 独探测到引力波。这次的引力波事件是天文台和电磁波望远镜同时观测到同一 个天体物理事件,由美国 LIGO 和欧洲 VIRGO 及全球其他 70 个地面及空间望 远镜共同完成,标志着以多种观测方式 为特点的“多信使”天文学进入一个新 时代。 由两个恒星质量级黑洞碰撞所产生的, 其中一个的质量约为太阳的 31 倍,另一 个则是太阳质量的 19 倍。科学家计算出 这两个黑洞在最终融合成一个约为太阳 质量 49 倍的黑洞之前,彼此围绕对方相 互旋转了约 6 次。这种宇宙级大碰撞产 生的能量本身就能达到太阳质量的两倍, 并以引力波的形式将能量扩散出去。 
        2017 年 8 月 14 日,LIGO 的两台 干涉仪和欧洲 VIRGO 的一台干涉仪, 从三个地点几乎同时 ( 先后相差仅几毫 秒 ) 捕获到了最新引力波事件。第四次引 力波由距地球 18 亿光年的两个超大黑洞 合并产生,质量分别为太阳质量的 31 倍 和 25 倍,合并后的黑洞质量约为太阳质 量的 53 倍,剩余约 3 个太阳的质量转变 成能量以引力波的形式释放出来。这一 次是首次世界上同时有三座引力波天文 台同时检测到同一个信号。 2017 年 10 月 16 日(北京时间 22 时),美国国家航空航天局、欧洲南方 天文台、南京紫金山天文台、英国科技 设备委员会、法国国家科学研究中心等 世界数十家科学机构联合宣布,科学家 们于 2017 年 8 月 17 日,首次直接探测 到距地球约 1.3 亿光年的双中子星并合 产生的引力波及其光学对应体,并同时 “看到”这一壮观宇宙事件发出的电磁 信号,正式编号为 GW170817。 
        这是人类历史上第一次使用引力波 天文台和电磁波望远镜同时观测到同一 个天体物理事件,由美国 LIGO 和欧洲 VIRGO 及全球其他 70 个地面及空间望 远镜共同完成,标志着以多种观测方式 为特点的“多信使”天文学进入一个新 时代。
        内容及图片来源: 1. 明镜 范锡龙《深度解读人类首次直接探测到的引 力波事件》 2. 明镜 胡一鸣《爱因斯坦预言终获验证 LIGO 首次 直接探到引力波》 3. LIGO 官网 4. 新华网 5. 果壳网         (转引自《师大校友》)
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