引力波是怎么形成的呢
引力波是怎么形成的呢
在物理學(xué)中，引力波是指時(shí)空彎曲中的漣漪，通過(guò)波的形式從輻射源向外傳播，這種波以引力輻射的形式傳輸能量。是什么原因?qū)е乱Σǖ男纬赡?以下是由學(xué)習(xí)啦小編整理關(guān)于引力波是怎么形成的的內(nèi)容，希望大家喜歡!
引力波形成的原因
具有質(zhì)量的物體變動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生“引力波”
愛(ài)因斯坦用愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程闡述了時(shí)間、空間與萬(wàn)有引力的關(guān)系。由方程可知，“物質(zhì)和能量的分布發(fā)生變化時(shí)，時(shí)空結(jié)構(gòu)也將改變”。具有質(zhì)量的物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，物質(zhì)和能量的分布將發(fā)生變化，從而導(dǎo)致時(shí)空結(jié)構(gòu)的變化。
愛(ài)因斯坦認(rèn)為，時(shí)空結(jié)構(gòu)的變化將以“波”的形式傳播，這就是“引力波”。
引力波使得空間縱橫交錯(cuò)地收縮或擴(kuò)張
物體的質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)速度決定了引力波的大小。質(zhì)量越大的物體以越快的速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，形成的引力波越強(qiáng)。例如，兩個(gè)中子星共同組成雙星時(shí)的引力波就很強(qiáng)。
引力波所引起的空間變化(收縮或擴(kuò)張)
發(fā)出引力波的中子星聯(lián)星
中子星是幾乎完全由中子(構(gòu)成原子核的粒子)構(gòu)成的密度極高的天體。1立方厘米的質(zhì)量高達(dá)10億噸左右。當(dāng)兩個(gè)中子星圍繞著共同的引力中心運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，則組成雙星。
高密度、大質(zhì)量的中子星所組成的聯(lián)星公轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)連續(xù)不斷地引發(fā)時(shí)空彎曲，從而形成引力波，擴(kuò)散到四面八方。而且，該時(shí)空彎曲會(huì)隨著兩個(gè)中子星的公轉(zhuǎn)連續(xù)不斷地產(chǎn)生，并形成引力波，擴(kuò)散到周圍的時(shí)空中。
發(fā)出引力波的中子星聯(lián)星
由于無(wú)法描繪三維空間的彎曲，因此，圖解僅僅描繪了水平方向的引力波。
研究表明，引力波在時(shí)空中傳播時(shí)，空間將會(huì)縱向或橫向擴(kuò)張。如果能夠測(cè)量到空間縱橫交錯(cuò)地收縮或擴(kuò)張的話，就能觀測(cè)到引力波。
直接“捕獲”引力波相當(dāng)困難
直接“捕獲”引力波是非常困難的。這是因?yàn)?，引力波是自然界中最微弱、最不易察覺(jué)的波。雖然像中子星那樣質(zhì)量巨大的物體在做加速運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)輻射引力波，但是，在遙遠(yuǎn)的宇宙中所形成的引力波對(duì)地球周圍空間的影響卻極其微弱。引力波在通過(guò)像太陽(yáng)與地球那樣距離遙遠(yuǎn)(1.5億公里)的兩個(gè)物體時(shí)，引起的空間變化(收縮或擴(kuò)張)只相當(dāng)于一個(gè)氫原子直徑(1.5×10-10米)的大小。
引力波的探測(cè)歷史
在過(guò)去的六十年里，有許多物理學(xué)家和天文學(xué)家為證明引力波的存在做出了無(wú)數(shù)努力。其中最著名的要數(shù)引力波存在的間接實(shí)驗(yàn)證據(jù)——脈沖雙星 PSR1913+16。1974年，美國(guó)麻省大學(xué)的物理學(xué)家家泰勒(Joseph Taylor)教授和他的學(xué)生赫爾斯(Russell Hulse)利用美國(guó)的308米射電望遠(yuǎn)鏡，發(fā)現(xiàn)了由兩顆質(zhì)量大致與太陽(yáng)相當(dāng)?shù)闹凶有墙M成的相互旋繞的雙星系統(tǒng)。由于兩顆中子星的其中一顆是脈沖星，利用它的精確的周期性射電脈沖信號(hào)，我們可以無(wú)比精準(zhǔn)地知道兩顆致密星體在繞其質(zhì)心公轉(zhuǎn)時(shí)他們軌道的半長(zhǎng)軸以及周期。根據(jù)廣義相對(duì)論，當(dāng)兩個(gè)致密星體近距離彼此繞旋時(shí)，該體系會(huì)產(chǎn)生引力輻射。輻射出的引力波帶走能量，所以系統(tǒng)總能量會(huì)越來(lái)越少，軌道半徑和周期也會(huì)變短。
泰勒和他的同行在之后的30年時(shí)間里面對(duì)PSR1913+16做了持續(xù)觀測(cè)，觀測(cè)結(jié)果精確地按廣義相對(duì)論所預(yù)測(cè)的那樣：周期變化率為每年減少76.5微秒，半長(zhǎng)軸每年縮短3.5米。廣義相對(duì)論甚至還可以預(yù)言這個(gè)雙星系統(tǒng)將在3億年后合并。這是人類第一次得到引力波存在的間接證據(jù)，是對(duì)廣義相對(duì)論引力理論的一項(xiàng)重要驗(yàn)證。泰勒和赫爾斯因此榮獲1993年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。到目前為止，類似的雙中子星系統(tǒng)只已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了將近10個(gè)。但是此次發(fā)布會(huì)中的雙黑洞系統(tǒng)卻從來(lái)沒(méi)被發(fā)現(xiàn)過(guò)，是首次。
在實(shí)驗(yàn)方面，第一個(gè)對(duì)直接探測(cè)引力波作偉大嘗試的人是韋伯(Joseph Weber)。早在上個(gè)世紀(jì)50年代，他第一個(gè)充滿遠(yuǎn)見(jiàn)地認(rèn)識(shí)到，探測(cè)引力波并不是沒(méi)有可能。從1957年到1959年，韋伯全身心投入在引力波探測(cè)方案的設(shè)計(jì)中。最終，韋伯選擇了一根長(zhǎng)2米，直徑0.5米，重約1噸的圓柱形鋁棒，其側(cè)面指向引力波到來(lái)的方向。該類型探測(cè)器，被業(yè)內(nèi)稱為共振棒探測(cè)器：當(dāng)引力波到來(lái)時(shí)，會(huì)交錯(cuò)擠壓和拉伸鋁棒兩端，當(dāng)引力波頻率和鋁棒設(shè)計(jì)頻率一致時(shí)，鋁棒會(huì)發(fā)生共振。貼在鋁棒表面的晶片會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的電壓信號(hào)。共振棒探測(cè)器有很明顯的局限性，比如它的共振頻率是確定的，雖然我們可以通過(guò)改變共振棒的長(zhǎng)度來(lái)調(diào)整共振頻率。但是對(duì)于同一個(gè)探測(cè)器，只能探測(cè)其對(duì)應(yīng)頻率的引力波信號(hào)，如果引力波信號(hào)的頻率不一致，那該探測(cè)器就無(wú)能為力。此外，共振棒探測(cè)器還有一個(gè)嚴(yán)重的局限性：引力波會(huì)產(chǎn)生時(shí)空畸變，探測(cè)器做的越長(zhǎng)，引力波在該長(zhǎng)度上的作用產(chǎn)生的變化量越大。韋伯的共振幫探測(cè)器只有2米，強(qiáng)度為1E-21的引力波在這個(gè)長(zhǎng)度上的應(yīng)變量(2E-21米)實(shí)在太小，對(duì)上世紀(jì)五六十年代的物理學(xué)家來(lái)說(shuō)，探測(cè)如此之小的長(zhǎng)度變化是幾乎不可能的。雖然共振棒探測(cè)器沒(méi)能最后找到引力波，但是韋伯開(kāi)創(chuàng)了引力波實(shí)驗(yàn)科學(xué)的先河，在他之后，很多年輕且富有才華的物理學(xué)家投身于引力波實(shí)驗(yàn)科學(xué)中。
在韋伯設(shè)計(jì)建造共振棒的同時(shí)期，有部分物理學(xué)家認(rèn)識(shí)到了共振棒的局限性，然后就有了前面提到的有基于邁克爾遜干涉儀原理的引力波激光干涉儀探測(cè)方案。它是由麻省理工學(xué)院的韋斯(Rainer Weiss)以及馬里布休斯實(shí)驗(yàn)室的佛瓦德(Robert Forward)在70年代建成。到了70年代后期，這些干涉儀已經(jīng)成為共振棒探測(cè)器的重要替代者。激光干涉儀對(duì)于共振棒的優(yōu)勢(shì)顯而易見(jiàn)：首先，激光干涉儀可以探測(cè)一定頻率范圍的引力波信號(hào);其次，激光干涉儀的臂長(zhǎng)可以做的很長(zhǎng)，比如地面引力波干涉儀的臂長(zhǎng)一般在千米的量級(jí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)共振棒。
除過(guò)我們剛剛提到的aLIGO, 還有眾多的其他引力波天文臺(tái)。位于意大利比薩附近，臂長(zhǎng)為 3千米的VIRGO;德國(guó)漢諾威臂長(zhǎng)為600米的GEO;日本東京國(guó)家天文臺(tái)臂長(zhǎng)為300米的TAMA300。這些探測(cè)器曾在2002年至2011年期間共同進(jìn)行觀測(cè)，但并未探測(cè)到引力波。所以之后這些探測(cè)器就進(jìn)行了重大升級(jí)，兩個(gè)高新LIGO(升級(jí)版的LIGO)探測(cè)器于2015年開(kāi)始作為靈敏度大幅提升的高新探測(cè)器網(wǎng)絡(luò)中的先行者進(jìn)行觀測(cè)，而高新VIRGO(升級(jí)后的VIRGO)也將于2016年年底開(kāi)始運(yùn)行。日本的項(xiàng)目TAMA300進(jìn)行了全面升級(jí)，將臂長(zhǎng)增加到了3公里，改名為叫KAGRA，預(yù)計(jì)2018年運(yùn)行。
因?yàn)樵诘孛嫔虾苋菀资艿礁蓴_，所以物理學(xué)家們也在向太空進(jìn)軍。歐洲的空間引力波項(xiàng)目eLISA(演化激光干涉空間天線)。eLISA將由三個(gè)相同的探測(cè)器構(gòu)成為一個(gè)邊長(zhǎng)為五百萬(wàn)公里的等邊三角形，同樣使用激光干涉法來(lái)探測(cè)引力波。此項(xiàng)目已經(jīng)歐洲空間局通過(guò)批準(zhǔn)，正式立項(xiàng)，目前處于設(shè)計(jì)階段，計(jì)劃于2034年發(fā)射運(yùn)行。作為先導(dǎo)項(xiàng)目，兩顆測(cè)試衛(wèi)星已經(jīng)于2015年12月3日發(fā)射成功，目前正在調(diào)試之中。中國(guó)的科研人員，在積極參與目前的國(guó)際合作之外之外，也在籌建自己的引力波探測(cè)項(xiàng)目。
宇宙引力波源
(1)旋進(jìn)(In-spiral)或者合并的致密星雙星系統(tǒng)。比如中子星或者黑洞的雙星系統(tǒng)。非常類似于發(fā)布會(huì)當(dāng)中的系統(tǒng)。
(2)快速旋轉(zhuǎn)的致密天體。這類天體會(huì)通過(guò)周期性的引力波輻射損失掉角動(dòng)量，它的信號(hào)的強(qiáng)度會(huì)隨著非對(duì)稱的程度增加而增加?？赡艿暮蜻x體包括非對(duì)稱的中子星之類的。
(3)隨機(jī)的引力波背景。非常類似于我們通常熟知的宇宙背景輻射，這一類背景引力波，也通常叫做原初引力波，它是早期宇宙暴漲是的遺跡。2014年由加州理工、哈佛大學(xué)等幾個(gè)大學(xué)的研究人員所組成的BICEP2團(tuán)隊(duì)曾宣稱利用南極望遠(yuǎn)鏡找到了原初引力波，但是后來(lái)證實(shí)為銀河系塵埃影響的結(jié)果。原初引力波的探測(cè)將是對(duì)暴脹宇宙模型的直接驗(yàn)證，對(duì)于它的探測(cè)依舊在努力尋找之中。
(4)超新星或者伽馬射線暴爆發(fā)。恒星爆發(fā)時(shí)非對(duì)稱性動(dòng)力學(xué)性質(zhì)也會(huì)產(chǎn)生引力波。而直接探測(cè)到來(lái)自于這些天體的引力波，將是提供對(duì)這些天體最直接而且最內(nèi)部的信息。
以上的天體都能夠產(chǎn)生地面探測(cè)器所探測(cè)到的引力波信號(hào)(頻率大約幾到幾百赫茲)。還有一類天體，也能夠產(chǎn)生比較較強(qiáng)的引力波，只是產(chǎn)生的頻率比較低而已(頻率在0.01赫茲以下)。
(5)超大質(zhì)量黑洞。在星系的中心，我們知道會(huì)有一個(gè)超大質(zhì)量黑洞的存在。星系在演化的過(guò)程當(dāng)中，會(huì)彼此合并，所以在某些星系中間，會(huì)有兩個(gè)黑洞。非常類似于LIGO所探測(cè)到的雙恒星級(jí)黑洞，這兩個(gè)雙黑洞在繞轉(zhuǎn)和最終的合并的之時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的引力波。這種引力波可以利用空間探測(cè)器來(lái)探測(cè)。
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