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引力波究竟是什麼?愛因斯坦的預言被證實,宇宙中確實存在引力波

Ashin 2023/01/17

宇宙的回音

宇宙也會發聲,而且這種「聲音」幾乎能響徹整個宇宙,從星際的一頭穿梭到另一頭。

當難以置信的巨型天體在太空發生激烈的碰撞時,它們便會 在宇宙中激蕩起強烈的漣漪,并在宇宙中回蕩數十億年。

宇宙不見得總那麼安靜

1916年,阿爾伯特·愛因斯坦在他的科學論著里闡述了廣義相對論的問題,并針對這一問題預言了引力波的存在。

廣義相對論是引力的度量理論,其核心是愛因斯坦方程的思維偽黎曼流形。

它描述了代表時空的能量-棟梁的幾何,與包含在該 時空之中的空間關系

對于廣義相對論中時空彎曲幾何中的慣性運動,沒有引力使物體偏離其自然、筆直的路徑。

相反, 重力對應的是空間和時間屬性的變化。這反過來又會改變物體自然遵循的最筆直的路徑。

最經典的簡單描述便是,時空告訴物質如何運動,而物質則告訴時空如何彎曲。

廣義相對論下的時空扭曲

廣義相對論的方程研究帶來了許多物理方面的后果,有的來自該理論的公理,而另一些則只有在愛因斯坦最初發表后的多年研究過程中才逐漸變得清晰起來。

而在 1916年的預測中,愛因斯坦認為時空度量中的漣漪會以光速傳播。

這是 弱場引力和電磁學之間的幾個類比之一, 類似電磁波的效果。

至于如何產生這種效果,便是兩個大型物體,比如恒星和行星相互繞行時,便會發生一些特別的事情。

愛因斯坦相信這種運動會在空間中引起漣漪,就像把石頭扔進水中一樣。

愛因斯坦在新澤西州普林斯頓的家中

最強的引力波是由災難性的事件導致,比如黑洞碰撞,或者超新星爆炸,又或者是中子星碰撞等。

其他波則可能是由不完美球體的中子星的旋轉引起,甚至還可能是 宇宙大爆炸遺留下來的輻射殘余物。

由于 引力波看不見,因此它也沒辦法進行直接觀察。另外它們的 傳播速度還是以光速進行,這使得它們的觀測更加難進行。

早期科學家根本不相信這種事情會出現,對此也沒有實質性的進展。

原始引力波假設來自宇宙大爆炸

直到1974年,在愛因斯坦去世20年后,第一個關于引力波的證據才出現。

這個間接證據來自赫爾斯-泰勒雙星脈沖星的軌道衰變,科學家發現這與廣義相對論預測的衰變相吻合,因為引力輻射會損失能量。

引力波實驗

在正式進入 引力波觀測之前,我們再來進一步了解關于引力波的知識。

前面我們基本闡述了廣義相對論的物理表現,以及引力波的基礎概念。

在愛因斯坦看來, 引力是一種能夠·使時空彎曲的力

這種彎曲是由質量存在引起的。

通常來講, 給定空間體積包含的質量越多,其體積邊界處的時空曲率也就越大

當有質量的物體在時空中移動的時候, 曲率會發生變化來反映這些物體的位置變化

當引力波經過觀察者時,觀察者會發現時空因這種應變產生了扭曲。

當波通過的時候,物體之間的距離會以波相同的頻率,有節奏地增加和減少。

正極化引力波對粒子環的影響

這種 影響的大小與到引力源的距離成反比,例如中子星交匯這種大型事件,由于它們的質量會在彼此靠近時產生極大的加速度。

因此,中子星合并事件便會使其產生強大的引力波。

引力波可以穿透電磁波無法穿透的空間區域,它們能夠觀察黑洞和可能在遙遠宇宙中的其他奇異物體的合并。

工作人員檢查懸掛著的石英纖維

(一名工作人員檢查懸掛在處女座引力波天文台內的鏡子的石英纖維)

如果使用光學望遠鏡或者射電望遠鏡是無法觀察到引力波的,原則上講, 引力波可以以任何頻率存在

但是極低頻率的波不可能被檢測到,而且對于非常高頻率的可檢測波也沒有可靠的來源。

所以在過去,科學家想要觀測引力波不僅十分困難,就連相應的技術條件也難以達到。

光是處理這些光學儀器就夠頭疼了

為了對愛因斯坦的預言進行驗證,上世紀60年代,美國和蘇聯的科學家構想了一種激光干涉測量。

并在 60年代后期,原型干涉引力波探測器由休斯研究實驗室建造。

另外在 國家科學基金會加州理工大學的支持下,相關的研究項目得到了人才保障和資金支持。

LIGO 利文斯頓控制室

期間, 雙星脈沖星的發現給科學家帶來了希望。

軌道周期衰變的測量證明了引力波的存在,而泰勒和他的研究生助理因此還獲得了1993年的諾貝爾物理學獎。

1981年,在天文觀測系統中測量到了 軌道周期衰減,其表現幅度與愛因斯坦的理論完全一致,并在微小的觀測不確定性范圍內。

從這一時期一直到90年代末,相關的實驗項目和觀測經歷了各種坎坷,并且項目過程時好時壞。

直到2002年開始,這個由一眾科學家和基金會高管成立的 激光干涉引力波天文台(LIGO)終于真正進行。

高級 LIGO 探測器的簡化圖

激光干涉實驗

LIGO會同時運行兩個 引力波觀測站,LIGO利文斯頓天文台和LIGO漢福德天文台。

這些地點在地球上的直線距離為3002公里,地表距離為3030公里。

由于引力波將以光速傳播,因此這部分的距離差異因為引力波到達表現出來的時間差異會多達10毫秒。

通過使用 三邊測量,對到達時間的差異能幫助確定波的來源。

每個天文台都支持一個 L形的超高真空系統,每邊長為4公里,每個真空系統可以放置 5個干涉儀

LIGO漢福德天文台在上面

LIGO利文斯頓天文台作為主要的配置,這里還有一台激光干涉儀,該干涉儀于2004年完成升級。

并配備了基于液壓執行器的主動隔振系統, 0.1~5Hz的頻帶內可以提供10倍的隔振系數

LIGO漢福德天文台的配置基本與利文斯頓的相同,在初始和增強階段,半長干涉儀與主干涉儀并聯運行。

即使該干涉儀長度達到2公里,法布里-珀羅臂腔也具有相同的光學精度,因此它的存儲時間是4公里干涉儀的一半。

LIGO 漢福德天文台 實景

當引力波通過干涉儀的時候,局部區域的時空會發生改變根據波源及其極化,這會導致 一個或者兩個空腔的長度發生有效改變。

光束之間的有效長度變化會導致當前在腔內的光與入射光變得非常輕微的異相。

實驗室的交叉點

因此,腔體內會周期性且輕微地失去相干性,而在 探測器處被調諧為破壞性干涉的光束,將會有非常輕微的周期性變化失諧,于是就可以產生一個能夠被測量的信號。

對于那些不太低的頻率,或者其他噪聲源帶來的干擾,科學家通過鐘擺懸架的辦法來有效地保護探測器免受震動影響。

經過四十多年的發展和思考,終于,在2015年夏天快要結束的時候, LIGO探測器達到探測標準靈敏度標準。

9月14日的時候,探測器剛一打開,科學家就發現了一個強到足以確定來源的信號。

LIGO項目的團隊花了幾個月的時間最終確定了 引力波的發現,這是全球首次,同時也應驗了愛因斯坦的預言。

該信號源來自兩個黑洞合并產生的引力波,它們 距離地球約有1.23427103× 10 ^25米

此外,這一事件還證明了引力波無論頻率如何都能以相同的速度進行傳播,正如廣義相對論所描述的那樣。

基于空間的引力波觀測至關重要,它們在天體物理方面來講,星系合并時產生的超大質量黑洞的性質只能通過這些波來確定。

這一偉大發現不僅給人類提供了觀察宇宙的新視野和機會,同時也進一步了解到宇宙中正在發生的事情。

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