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第八届星际物理与化学研讨会(珠海2021)



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引力波的预言、探测和发现
1、引力波的预言
早在1916年,爱因斯坦就在其广义相对论中预言了引力波的存在。从爱因斯坦引力场方程可以得到广义相对论的三个重要预言:引力红移,光线引力弯曲和水星近日点进动。这些都说明物质的存在会让时空会发生弯曲,万有引力是时空弯曲的表现。引力场方程在真空情况下最简单的解就是平面波。
引力场的扰动在时空中传播出去,就像池塘中水的扰动向外传播的波纹一样(往池塘里投掷石头的水波动画),这种弯曲时空中的涟漪就是引力波。引力波理论认为,当物质运动或物质体系的质量分布发生非对称变化时,就会发出引力辐射。引力波以光速进行传播,但强度非常弱。
相互旋绕的致密双星是宇宙空间中最丰富的高频引力波源,这种双星系统主要包括中子星—中子星,中子星—黑洞,黑洞—黑洞。广义相对论计算可知,黑洞双星系统的质量四极矩会随时间变化,不断向外辐射引力波,从而使两个黑洞之间的引力势能降低,黑洞越来越靠近(旋绕阶段)。随着两个黑洞的距离变小,它们之间相互绕转的频率会变得更高,辐射的引力波的振幅也越来越大,最后两个黑洞相互碰撞进而合并在一起(合并阶段)。当两个黑洞最终合并成高速旋转的科尔黑洞时,其发射的引力波具有“余波”特点,幅度逐渐衰减,类似于摇铃后铃声逐渐变小直至消失的情况(铃宕阶段)。计算表明,双黑洞系统辐射的引力波的功率是如此之大,以致于一个彼此相距几千米的双星,会在几分钟甚至几秒钟或更短的时间完成上述过程。
2、引力波的探测
尽管爱因斯坦早在1916年就预言了引力波的存在,但直到1974年,爱因斯坦去世20年之后,人们才找到引力波存在的第一个间接证据——脉冲双星 PSR1913+16。这是一个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,科学家对其做了14年以上的持续观测,发现观测结果精确地按广义相对论所预测的那样,两颗子星的绕转周期每年76.5微秒,半长轴每年缩短3.5米。双星系统辐射出的引力波带走了能量,所以系统总能量会越来越少,轨道半径和周期也变短了。这是人类得到的第一个引力波存在的间接证据,是对广义相对论引力理论的一大贡献,也令其发现者荣获1993年诺贝尔物理学奖。
1963年,苏联科学家米哈伊尔·E·哥森史特因等人提出了激光干涉仪引力波探测器的想法,这种探测器的灵敏度高、探测频带宽、升级潜力大,为引力波的直接探测带来了希望。原则上,激光干涉仪引力波探测器是一台 “变异”的迈克尔孙干涉仪。引力波独特的极化性质,会使干涉仪的一臂伸长而另一臂相应缩短,使两束相干光有了新的光程差,会有一定数量的光线进入光探测器,产生信号,从而探测到引力波。
目前世界各地都有许多先进的引力波探测器,当今最具规模的激光干涉引力波天文台(LIGO)主要是由加州理工学院和麻省理工学院负责运行。LIGO在两个站点建造有三台探测器,在美国华盛顿州的汉福德建有双臂长度分别为4千米和2千米的两台探测器,而在路易斯安那州的利文斯顿建有一台双臂长度为4千米的探测器(LIGO Livingston Observatory,简称LLO),相距汉福德3002千米。2010年与2015年之间,LIGO进行升级(其中原两千米机升级后计划发往印度用于建造 LIGO India,另两台留原址),能够探测引力波的距离比先前高出10倍,探测区域体积范围也扩大1000倍以上,能够探测到的可能引力波波源比先前多出1000倍。
激光干涉引力波天文台(LIGO)
意大利也建造了室女座干涉仪(Virgo),这是一架双臂长度为3千米的地面激光干涉仪。日本在2019年建成神冈引力波探测器(KAGRA),它的3千米长的干涉臂被深埋在200米的岩石下。GEO600位于德国汉诺威,是双臂长度为600米的探测器。未来,还有多个空间引力波探测计划即将展开,如欧洲空间局(ESA)的“激光干涉仪空间天线计划”(Laser Interferometer Space Antenna),我国的空间引力波探测计划:太极计划和天琴计划等。
3、引力波的发现
半个世纪的艰苦探索之后,引力波探测终成正果。2016年2月11日,爱因斯坦提出广义相对论并预言引力波的存在100周年之际,LIGO团队宣布完成人类历史上首个引力波直接探测。引力波的信号GW150914于2015年9月14日9时51分被位于利文斯顿和汉福德的两架LIGO激光干涉仪几乎同时捕捉到。科学家认为这束引力波源自位于南天球的距地球约13亿光年的双黑洞,两个黑洞的质量分别约为太阳质量的29和36倍。它们经过互相旋近后合并为质量约为太阳质量62倍的黑洞,有约3倍太阳质量的能量在不到1秒的时间内以引力波的形式释出,其峰值功率达到了全宇宙的所有可见光功率的50倍。
这一重大发现也让相关科学家荣获2017年诺贝尔物理学奖。之后,LIGO又相继探测到双中子星、中子星黑洞并合所产生的引力波,并在2017年8月17日针对一例双种子星并合事件实现了引力波与电磁波的协同观测。人类长达半个世纪之久的引力波探测终于有了结果,它标志着引力波天文学完成了从引力波寻找到天文学研究这一个历史性的转折。引力波可以穿透宇宙间尘埃等,不易被遮挡,是发现、研究远距离、极端环境下天体物理的有力手段,新兴的引力波天文学是传统的电磁辐射天文学的巨大拓展和补充。
引力波的信号GW150914
4、北师大的引力波研究
激光干涉仪引力波探测器的出现给引力波探测带来巨大的希望并直接导致引力波的发现,当前,激光干涉仪引力波探测器的研发、建造已在世界各地蓬勃发展起来,引力波天文学的研究进入一个崭新的阶段。在引力波探测成功之前,北师大天文系已系统地开展了引力波的相关研究。在首次直接探测到引力波的LIGO科学项目内,有十数名北师大的毕业生和在校生深度参与其中。北师大不仅是日本引力波项目KAGRA的中方合作中心单位之一,还和国内相关机构一起与西澳大利亚大学成立了国际合作组,致力于激光干涉仪引力波探测器的新技术、新工艺的研究。我国自主的激光干涉仪引力波探测器的研发成功一定会让伟大的中华民族在引力波天文学这一新兴的科学领域占有一席之地。
                             
2017年12月19日,诺奖得主到北师大为师生讲解引力波 
                                                                                                                                             
高频激光干涉引力波探测器样机真空系统外观
 
注:本文得到北京市科学技术委员会科普专项经费资助