引力波的形成原因及影响
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发布时间：2022-04-22 14:57
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时间：2023-10-19 03:56
中文名称： 引力波 英文名称： gravitational wave 其他名称： 引力辐射(gravitational radiation) 定义： 广义相对论预言的引力场的波动形式。其传播速度等于光速。 所属学科： 天文学（一级学科）；天体物理（二级学科） 英文：(Gravitational wave)，学界称为重力波，英文中有时也写作 gravity wave；但更多场合中，gravity wave是留给地球科学与流体力学中另一种性质迥异的波动。关于万有引力的本质是什么，牛顿认为是一种即时超距作用，不需要传递的“信使”。爱因斯坦则认为是一种跟电磁波一样的波动，称为引力波。引力波是时空曲率的扰动以行进波的形式向外传递。引力辐射是另外一种称呼，指的是这些波从星体或星系中辐射出来的现象。电荷被加速时会发出电磁辐射，同样有质量的物体被加速时就会发出引力辐射，这是广义相对论的一项重要预言。 存在性 引力波的存在而且也真的无所不在，是广义相对论中一项毫不模糊的预言。所有目前相互竞争而且被“认可”的重力理论（认可：与现前可得一切证据能达到相当准确度的相符）所预言的引力辐射特质即各有千秋；而原则上，这些预言有时候和广义相对论所预言的相差甚远。但很不幸地，现在要确认引力辐射的存在性就已相当具有挑战性，更不用说要研究它的细节。 引力波的性质 引力波以波动形式和有限速度传播的引力场。按照广义相对论，加速运动的质量会产生引力波。引力波的主要性质是：它是横波，在远源处为平面波；有两个的偏振态；携带能量；在真空中以光速传播等。引力波携带能量，应可被探测到 。但引力波的强度很弱，而且，物质对引力波的吸收效率极低，直接探测引力波极为困难。曾有人宣称在实验室里探测到了引力波，但未得到公认。天文学家通过观测双星轨道参数的变化来间接验证引力波的存在 。例如，双星体系公转、中子星自转、超新星爆发，及理论预言的黑洞的形成、碰撞和捕获物质等过程，都能辐射较强的引力波。我们所预期在地球上可观测到的最强引力波会来自很远且古老的事件，在这事件中大量的能量发生剧烈移动（例子包括两颗中子星的对撞，或两个极重的黑洞对撞）。这样的波动会造成地球上各处相对距离的变动，但这些变动的数量级应该顶多只有10^-21。以LIGO引力波侦测器的双臂而言，这样的变化小于一颗质子直径的千分之一。这样的案例应该可以指引出为什么侦测引力波是十分困难的。 引力波的侦测 虽然引力辐射并未被清清楚楚地“直接”测到，然而已有显著的“间接”证据支持它的存在。最著名的是对于脉冲星（或称波霎）双星系统PSR1913+16的观测。这系统被认为具有两颗中子星，以极其紧密而快速的模式互相环绕对方。其并且呈现了渐进式的旋近(in-spiral)，旋近时率恰好是广义相对论所预期的值。对于这样的观测，最简单(也几乎是广为接受)的解释为：广义相对论一定是对这种系统的重力辐射给出了准确的说明才得以如此。泰勒和赫尔斯因为这些成就共同获得了1993年的诺贝尔物理学奖。 1959年，美国马里兰大学教授J韦伯发表了证实引力波存在的消息，这引起了世界物理学界一阵狂热的激动。事情是这样的，韦伯首创用铝棒做“天线”，接收天体辐射的引力波的方法。为了提高灵敏度，“天线”很重，往往达到数吨；为了排除干扰，“天线”置于－270℃左右的超低温环境中。当时参加研究的有十几个小组，但只有J韦伯宣布接收到了可能是来自其他天体的引力波信号。其后不断有人重复这个实验，但终未得到肯定的结果，于是激动之余，人们便只能叹息罢了。 射电天文学的蓬勃发展为物理学家们新的探测途径。射电望远镜的探测本领比光学望远镜强得多，美国天文物理学家泰勒等人在1974年，靠着射电望远镜发现了一个双星体系——脉冲射电源 [2] （PSR1913+16）。按照广义相对论计算，双星互相绕转发出引力辐射，它们的轨道周期就会因此而变短，（PSR1913+16）的变化率为-2.6*10^ -12。而在1980年，他们也是采用精密的射电仪器，由实验行到观察值为-（3.2±0.01×10 ^-12,与理论计算值在误差范围内正好符合。这可以说是引力波的第一个定量证据。上述消息传开，引起物理学界的极大震动。科学家们信心倍增，为欢迎引力辐射这位宇宙“娇客”将开展更为广泛的探索研究。因为对引力波的探测不仅可以进一步验证广义相对论的正确性，而且将为人类展现出一幅全新的物质世界图景：茫茫宇宙，只要有物质，到处有引力辐射。 引力波的测量 LIGO 和 GEO 600是用来测量引力波即时空结构中的波动的工具。引力波非常难以测量，因为当他们到达地球的时候已经变得非常弱了。 LIGO 和 GEO 600通过测量两条激光束相遇的时候所形成的干涉图样的变化来探测引力波。这些图样依赖于激光束的传播距离，当引力波穿过时激光束的传播距离会相应变化。 这种称之为激光干涉计的探测器的灵敏度，是与激光传播的距离成比例的。因为探测器需要寻找的是很微弱的信号，所以需要 LIGO 和 GEO 的尺寸相当大。 引力波观测激光干涉仪 (LIGO) 位于美国的 LIGO 观测所拥有两套干涉仪，一套安放在路易斯安娜州的李文斯顿，另一套在华盛顿州的汉福。在李文斯顿的干涉仪有一对封闭在 1.2 米直径的真空管中的 4 公里长的臂，而在汉福的干涉仪则稍小，只有一对 2 公里长的臂。 这二套 LIGO 干涉仪在一起工作构成一个观测所。这是因为激光强度的微小变化、微弱地震和其它干扰都可能看起来像引力波信号，如果是此类干扰信号，其记录将只出现在一台干涉仪中，而真正的引力波信号则会被两台干涉仪同时记录。所以，科学家可以对二个地点所记录的数据进行比较得知哪个信号是噪声。 LIGO 从 2003 年开始收集数据。它是目前全世界最大的、灵敏度最高的引力波探测所。一系列的升级计划将更进一步提高其灵敏度。 引力波会传递能量 科学社群中有部分人一开始对于“引力波是否会如同电磁波一般可以传递能量”感到困惑，这样的困惑来自于一项事实：引力波没有局域能量密度——如此对于应力-能量张量的量值不会造成贡献。不像牛顿引力，爱因斯坦引力不是一项力理论。引力在广义相对论中不是一种力，它是几何。因此这样的场原来被认为不含能量，一如引力势。然而这场确实可以携带能量，如同它可以在远处作出机械功。而这已经用可传输能量的应力-能量伪张量进行证明过，也可看出辐射是如何将能量往外携带到无限远处。 引力波天文学兴起 引力波天文学是观测天文学20世纪中叶以来逐渐兴起的一个新兴分支，其发展基础是广义相对论中引力的辐射理论在各类相对论性天体系统研究中的应用。与基于电磁波观测的传统观测天文学相对比，引力波天文学是通过引力波这个途径来观测发出引力辐射的天体系统。由于万有引力相互作用和电磁相互作用相比强度十分微弱，引力波的直接观测对现有技术而言还是一个很大的挑战。自1916年爱因斯坦发表广义相对论，在理论上预言引力波的存在以来，引力波至今未能在实验上直接被检测到。因此从这个意义上说，真正实现通过引力波的观测来从实验上研究天体系统，从而完善引力波天文学这一新兴领域还为时尚早。但从相关的理论研究角度来看，理论上的引力波天文学已经存在，它的发展基础是20世纪中叶以来在引力辐射框架下的天体物理学研究，其中最著名的例子是普林斯顿大学的拉塞尔·赫斯（Russel Hulse）和约瑟夫·泰勒（Joseph Taylor）发现的脉冲双星，PSR 1913+16，这些研究使人们逐渐发现相对论性引力在天体系统中的重要地位。而从实验的角度来看，引力波的探测技术研究已经取得了相当的成果，研究人员预测人类很有可能在不远的将来实现对引力波的直接探测。 概念 广义相对论预言下的引力波来自于宇宙间带有强引力场的天文学或宇宙学波源，近半个世纪以来的天体物理学研究表明，引力辐射在天体系统中出现的场合非常丰富。这些可期待的波源包括银河系内的双星系统（白矮星、中子星或黑洞等致密星体组成的双星），河外星系内的超大质量黑洞的合并，脉冲星的自转，超新星的引力坍缩，大爆炸留下的背景辐射等等。引力波的观测意义不仅在于对广义相对论的直接验证，更在于它能够提供一个观测宇宙的新途径，就像观测天文学从可见光天文学扩展到全波段天文学那样极大扩展人类的视野。传统的观测天文学完全依靠对电磁辐射的探测，而引力波天文学的出现则标志着观测手段已经开始超越电磁相互作用的范畴，引力波观测将揭示关于恒星、星系以及宇宙更多前所未知的信息。 特点 与基于电磁波观测的传统观测天文学不同，引力波天文学具有如下特点： 引力波直接联系着波源整体的宏观运动，而非如电磁波那样来自单个原子或电子的运动的叠加，因此引力辐射所揭示的信息与电磁辐射观测到的完全不同。例如对一个双星系统观测到的引力波的偏振揭示了其双星轨道的倾斜度，这类关于波源运动的宏观信息通常无法从电磁辐射观测中取得。 如果比较波长与波源尺寸的关系，宇宙间的引力波并不像电磁波那样波长比波源尺寸小很多，这使得引力波天文学通常不能像电磁波天文学那样对波源进行拍照成相，而是类似声波直接从波形分析波源的性质。 大多数引力波源很难或根本无法通过电磁辐射直接观测到（例如黑洞），这个事实反过来也成立；考虑到现在一般认为宇宙间不发射任何电磁波的暗物质所占比例要远大于发射电磁波的已知物质，暗物质与外界的唯一相互作用即是引力相互作用，引力波天文学对这些暗物质的观测具有重要意义。 引力波与物质的相互作用非常弱，在传播途径中基本不会像电磁波那样容易发生衰减或散射，这意味着它们可以揭示一些宇宙角落深处的信息，例如宇宙诞生时形成的引力辐射至今仍然在宇宙间几乎无衰减地传播，这为直接观测大爆炸提供了仅有的可能。
