什么是引力波?为什么去太空探测引力波?
发布日期:2017年8月3日
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美国当地时间2月11日上午10点30分(北京时间2月11日23点30分),美国国家科学基金会(NSF)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:人类首次直接探测到了引力波!
这次探测到的引力波是由13亿光年之外的两颗黑洞在合并的最后阶段产生的。两颗黑洞的初始质量分别为29颗太阳和36颗太阳,合并成了一颗62倍太阳质量高速旋转的黑洞,亏损的质量以强大引力波的形式释放到宇宙空间,经过13亿年的漫长旅行,终于抵达了地球,被美国的“激光干涉引力波天文台”(LIGO)的两台孪生引力波探测器探测到。
探测到的引力波信号初始频率为35赫兹,接着迅速提升到了250赫兹,最后变得无序而消失,整个过程持续了仅四分之一秒。位于利文斯顿的探测器比位于汉福德的探测器早探测到7毫秒,这个时间差表明引力波是从南部天区传来。为什么网为你揭秘去太空探测引力波的原因。
探测到的引力波信号初始频率为35赫兹,接着迅速提升到了250赫兹,最后变得无序而消失,整个过程持续了仅四分之一秒。位于利文斯顿的探测器比位于汉福德的探测器早探测到7毫秒,这个时间差表明引力波是从南部天区传来。为什么网为你揭秘去太空探测引力波的原因。
中国的太空测量计划同样借助激光干涉仪——它经常用在机床上,测量微小变形。从测量件上发射的激光,借助反射镜分成两股,再重合起来,形成干涉条纹。镜面位置的丝毫变化,会让明暗条纹错位。
用激光干涉仪测引力波形变,是很自然的思路,1970年代开始陆续建造的引力波探测站都是这个机理。但直到LIGO改进了技术,制造出天下第一灵敏的激光干涉仪,才终于达成目的。
LIGO中,折射激光的不同镜面相距4公里,仍嫌不够长(要侦测的可是原子核尺寸千分之一的形变);要是能拉长到400万公里就好了。地球上找不到合适场地。但几颗卫星配合,就可以在太空搭起超级大的测量站。
中国空间太极计划是:发射三颗卫星,各相距几百万公里,每个卫星都包含悬浮起来的铂金体,卫星配有精细的姿态调节器,使得卫星外壳笼罩悬浮体,却永远不挨着它们。悬浮体被彻底隔绝,只有引力波能摇晃它们,供我们测量。美国、欧洲和日本都有类似计划。
什么是引力波?
在物理学上,引力波是爱因斯坦广义相对论所预言的一种以光速传播的时空波动,如同石头丢进水里产生的波纹一样,引力波被视为宇宙中的“时空涟漪”。通常引力波的产生非常困难,地球围绕太阳以每秒30千米的速度前进,发出的引力波功率仅为200瓦,还不如家用电饭煲功率大。宇宙中大质量天体的加速、碰撞和合并等事件才可以形成强大的引力波,但能产生这种较强引力波的波源距离地球都十分遥远,传播到地球时变得非常微弱。
1974年物理学家约瑟夫·泰勒(Joseph Hooton Taylor, Jr)和拉塞尔·赫尔斯(Russell Alan Hulse)发现了一颗编号为PSR B1913+16的脉冲星,他们发现该脉冲星处于双星系统中,其伴星也是一颗中子星。根据广义相对论,该双星系统会以引力波的形式损失能量,轨道周期每年缩短76.5微秒,轨道半长轴每年减少3.5米,预计大约经过3亿年后发生合并。
自1974年,泰勒和赫尔斯和对这个双星系统的轨道进行了长时间的观测,观测值和广义相对论预言的数值符合得非常好,这间接证明了引力波的存在。泰勒和赫尔斯也因这项工作于1993年荣获诺贝尔物理学奖。