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如何探测宇宙引力波

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发布日期:2018-10-31 10:54

 原标题:引力波探测引力波探测:引力波天文学的新时代
  
  摘要:美国LIGO于2016年2月11日宣布首次探测到了引力波,引起全世界范围的广大反响。本文解答从什么是引力波、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,介绍国内外引力波探测的现状,并对引力波探测的未来进行展望。
  
  关键词:引力波;激光干涉引力波探测器;宇宙学
  
  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。
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传播。
  
  爱因斯坦1915年提出广义相对论,认为由于时间和空间中物质的存在,导致了时间和空间生弯曲,反过来,时间和空间弯曲又影响物质的分布。 在远离引力波源的近似平坦的区域,可以在线性近似下求解爱因斯坦引力场方程,解析地给出扰动的波动解。对于强引力系统,譬如,双黑洞并合系统,由于引力场方程的高度非线性,只能使用计算机数值计算引力波的波形。
  
  引力波为横波,有两个独立的极化方向,也就是说,传播方向跟极化方向垂直,两个极化方向的夹角为45°。在引力波传播所经过的空间点,会发生空间拉伸和压缩等物理现象。图2显示了沿z轴传播的引力波对xy平面上一个圆环形检验质量的影响,即引力波使得圆环形的检验质量变形为等面积的椭圆形状。测量这两个独立的极化方向为研究者提供了引力波源的方向。
  
  引力波的波形由振幅和频率描述,对于一个典型的致密双星并合系统,产生的引力波的振幅大约为10-21数量级,因此,探测如此弱的信号对人类提出了巨大的挑战。引力波的频率依赖于双星并合系统的质量和轨道半径,随着并合过程的演化,其频率也随着时间变化。

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出版地:山东

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