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引力波探测:引力波天文学的新时代

美国的激光干涉引力波天文台(LIGO)2016年2月11日宣布在位于美国华盛顿州汉福德和路易斯安那州利文斯顿的两个探测器上首次同时探测到了引力波,这一重大发现发表在《Physical Review Letters》上。该引力波的波源是离地球大约410兆秒差距(约13.4亿光年,红移0.09)的双黑洞并合事件,标记为GW150914。两个黑洞的质量分别为36和29个太阳质量,并合后形成的黑洞有62个太阳质量,其余3个太阳质量以引力波的形式辐射出来[1]。这一重大发现引起了科学家和社会大众的高度关注。本文尝试回答以下几个问题:什么是引力波?引力波是如何产生的?人类为什么坚持不懈地探测引力波?如何探测引力波?最后,介绍国内外引力波探测的现状和前景。图1位于美国华盛顿州汉福德(上)和路易斯安那州利文斯顿(下)的两个激光干涉引力波天文台(LIGO)1什么是引力波?引力波就是引力扰动在空间的传播。像电磁波一样,引力波携带能量在空间以真空光速...  (本文共4页) 阅读全文>>

《科学大观园》2017年21期
科学大观园

开启引力波天文学新时代

典皇家科学院将2017年的诺贝尔物理学奖授予莱纳·魏斯、巴里·巴里什和基普·索恩三位引力波探测计划的重要科学家。2016年,激光干涉引力波天文台(LIGO)的科学家们宣布他们首次探测到引力波信号,这一消息轰动了整个世界。故事发生在2015年9月14日格林尼治时间09:50:45(北京时间17:50:45),位于美国华盛顿州汉福德和路易斯安那州列文斯顿的两座LIGO探测设施均接收到一个来自编号为GW150914的引力波信号。这是首次探测结果获得的数据明确指向一个结论,即GW150914信号是由两个黑洞的合并过程产生的。根据LIGO汉福德观测站所获得数据对于引力波模式的重建与根据广义相对论原理构建的双黑洞合并释放引力波波形模式两者之间存在惊人的吻合。这也表明广义相对论完美通过了检验:所有的观测数据均与广义相对论的预测完全吻合。引力波是由宇宙中的一些最为剧烈的事件产生的,如大质量致密天体的碰撞或合并事件。引力波的存在早在1916年便已...  (本文共2页) 阅读全文>>

《世界科技研究与发展》2003年01期
世界科技研究与发展

世界引力波探测发展

1 引力波的性质在狭义相对论的基础上 ,爱因斯坦进一步考虑引力作用 ,建立了广义相对论。广义相对论是关于空间、时间和引力的理论。广义相对论认为能量—动量的存在 (也就是物质的存在 )会使四维时空发生弯曲。万有引力并不是通常意义下的力 ,而是时空弯曲的一种表现 .大质量的物体在时空结构中产生“凹痕”。其它物体在弯曲时空中沿短程线运动 ,很象弹子球在蛛网上运动。所以可以说 :时空是一个可伸缩的弹性媒质[1] 。爱因斯坦在 1916年的文章中提出引力波的概念 ,并证明引力波和电磁波一样也是横波 ,以光速c传播。近代引力波理论认为 ,质量分布以非对称方式运动 ,时空凹痕将像时空的涟漪一样向外传播 ,称为引力波。引力波和电磁波有本质的不同。电磁波由加速的电荷产生 ,是矢量波 ,在时间和空间的参考系中传播。引力波由加速的物质产生 ,是张量波 ,是时空结构本身的波动。在引力波到达的时空 ,由于时空自身发生变化 ,处在其中的宏观自由物体间的距离...  (本文共5页) 阅读全文>>

《科技导报》2016年03期
科技导报

引力波:从激光干涉引力波天文台到宇宙微波背景辐射

1916年爱因斯坦说:要有引力波。2016年2月11日advanced LIGO(提升的激光干涉天文台)说:真的有引力波。座落在相距3000多公里的美国路易斯安那州的列文斯顿和华盛顿州的汉福德的两个激光干涉天文台于2015年9月14日同时聆听到13亿光年外两个约30个太阳质量的黑洞并合发出的“蛐蛐叫”的声音,从而证实100年前爱因斯坦预言的引力波真的存在。这是21世纪基础科学又一个重大发现。当然一个重大的发现需要经过严格的检验。期待未来有更多的引力波被探测到,否则此次发现将会被置于质疑之中。引力是万有的。它普遍存在于宇宙中任何两个质点之间。加速一个带电粒子可以产生电磁波,而加速任何一个物体都可以产生引力波。一个最简单的产生引力波系统是两个天体相互环绕直至并合。然而大多数这样的系统所产生的引力波都小到无法察觉。黑洞是宇宙中拥有巨大质量的最致密的天体之一。引力波天文台的创建者之一的基普·索恩曾打赌说双黑洞并合产生的引力波会最先被观测...  (本文共1页) 阅读全文>>

《天文研究与技术.国家天文台台刊》2005年03期
天文研究与技术.国家天文台台刊

世界引力波探测网的现状

1引力波的非直接探测以非对称方式运动的质量,将会向外辐射引力波。这是广义相对论的重要推论之一。由于和电磁波相比,引力波的强度非常弱,从1916年爱因斯坦提出引力波到现在近九十年,引力波尚未被直接探测到。引力波存在的间接证明应该归功于霍尔斯(R. A. Hulse)和泰勒(J. H. Taylor)对脉冲双星PSR1913+16的发现和长期精密观测。广义相对论认为双星系统相互围绕旋转时将向外辐射引力波,因此系统能量损失,轨道半径减小,旋转周期缩短。持续至今的观测结果表明,这对中子双星的衰减率和广义相对论的理论计算值的误差在0.3%之内[1]。霍尔斯和泰勒早已因此在1993年荣获诺贝尔物理学奖。2共振棒引力波探测网上世纪末最大的引力波直接探测尝试是IGEC ( International Gravitational EventCollaboration)的5个共振棒引力波天线组成探测网,在1997年到2000年间协同运行,每次至少同...  (本文共5页) 阅读全文>>

《物理》2016年05期
物理

激光干涉引力波探测器——人类的宇宙助听器

1引言2016年2月11日,LIGO科学合作机构(LIGOScientific Collaboration)宣布[1],在爱因斯坦预言引力波整100周年之后,首次直接探测到引力波[2]。具体时间为2015年9月14日,LIGO在美国路易斯安那州和华盛顿州的两个探测器,探测到据信13亿年前两个分别为29和36倍太阳质量的黑洞合并的事件(GW150914)。在合并过程的最后不到一秒时间内,约三倍太阳的质量转化为引力波发射出来。但是,到达13亿光年之外的地球时,其产生的峰值应变仅为10-21,这相当于地球与太阳间的距离发生一个氢原子大小的改变。这么微弱的变化,被精密的大型激光干涉仪探测到,技术进步在科学研究中的重要作用显露无遗。除了进一步验证爱因斯坦的广义相对论的正确性,更为重要的,这次的发现开启了引力波天文学的新时代。在这之前,人类观测宇宙的手段均依赖于电磁波,引力波探测是我们获得的一种新能力。在宣布这个新发现时,LIGO的发言人说...  (本文共7页) 阅读全文>>

权威出处: 《物理》2016年05期
《物理》2016年05期
物理

引力波:时空的涟漪,天球的乐音

广义相对论(General Relativity,GR)奠定了现代宇宙学的理论基础,而宇宙学的兴起却是靠一系列意外的发现,如宇宙膨胀(1929年),类星体(1962年),微波背景辐射(1965年),脉冲星(中子星,1967年),X射线源双星(1972年),γ射线源(1973年),宇宙加速膨胀(1998年)等——它们都是借“光”(电磁波)从不同“窗户”看见的。不过,电磁波的窗户存在很大局限,它只能看见大爆炸10万年以后的景象(因为在那之前,宇宙对光子是不透明的);即使借粒子的眼睛(如中微子),也只能看到大爆炸1秒钟之后的景象。幸运的是,GR不仅为我们提供了眼睛,还预备了耳朵——从时空的波澜,我们能听见古人想象的“天球的乐音”,听见大爆炸的声响,听见时空奇点的啁啾(“chirp”)(图1)。激光干涉引力波天文台(LIGO)的发现,不过是拉开一个序幕,引力波演绎的宇宙大戏还没开始呢。1从电磁波到引力波将GR场方程与牛顿引力场类比,可以...  (本文共6页) 阅读全文>>

权威出处: 《物理》2016年05期