引力波

引力波

引力波是時空曲率的擾動以行進波的形式向外傳遞的一種方式,是這些波從星體或星系中輻射出來的現象。是由於空間質量和速度的變化導致空間產生的波動。電荷被加速時會發出電磁輻射,同樣有質量的物體被加速時就會發出引力輻射,這是廣義相對論的一項重要預言。引力波與流體力學中的重力波很相似,當液體表面或內部液團由於密度差異離開原來位置,在重力和浮力的綜合作用下,液團會處於上下振動以達到平衡的狀態,即產生波動。LIGO在2016年2月11日宣布:探測到引力波的存在。愛因斯坦廣義相對論實驗驗證中最後一塊缺失的“拼圖”被填補了。當兩個黑洞於約13億年前碰撞,兩個巨大質量結合所傳送出的擾動,於2015年9月14日抵達地球,被地球上的精密儀器偵測到,證實了愛因斯坦100年前所做的預測。2017年10月16日,全球多國科學家同步舉行新聞發布會,宣布人類第一次直接探測到來自雙中子星合併的引力波,並同時“看到”這一壯觀宇宙事件發出的電磁信號。2017年12月,引力波入選2017十大天文事件。入選“漢語盤點2017”活動年度候選字詞五大候選國際詞。

基本信息

內容簡介

引力波引力波

引力波是愛因斯坦在廣義相對論中提出的,即物體加速運動時給宇宙時空帶來的擾動。通俗地說,可以把它想像成水面上物體運動時產生的水波。但是,只有非常大的天體才會發出較容易探測的引力波,如超新星爆發或兩個黑洞相撞時,而這種情況非常罕見。因此,相對論提出一百多年來,其“水星進動”和“光線偏轉”等重要預言被一一證實,而引力波卻始終未被直接探測到。

引力波有宇宙初生時的“啼哭”之稱,它自宇宙誕生後便一直四散傳播,現在可探測到的餘響能量非常小,被稱為“隨機引力波背景”。在“雷射干涉引力波觀測台”中,科學家便是努力在長達4公里的雷射光線中,尋找“隨機引力波背景”帶來的比一個原子核還小的擾動。

主要性質

示意圖示意圖

引力波以波動形式和有限速度傳播的引力場。按照廣義相對論,加速運動的質量會產生引力波。

引力波的主要性質是:它是橫波,在遠源處為平面波;有兩個獨立的偏振態;攜帶能量;在真空中以光速傳播等。引力波攜帶能量,應可被探測到。但引力波的強度很弱,而且,物質對引力波的吸收效率極低,直接探測引力波極為困難。曾有人宣稱在實驗室里探測到了引力波,但未得到公認。天文學家通過觀測雙星軌道參數的變化來間接驗證引力波的存在。

例如,雙星體系公轉、中子星自轉、超新星爆發,及理論預言的黑洞的形成、碰撞和捕獲物質等過程,都能輻射較強的引力波。我們所預期在地球上可觀測到的最強引力波會來自很遠且古老的事件,在這事件中大量的能量發生劇烈移動(例子包括兩顆中子星的對撞,或兩個極重的黑洞對撞)。這樣的波動會造成地球上各處相對距離的變動,但這些變動的數量級應該頂多只有10^-21。以LIGO引力波偵測器的雙臂而言,這樣的變化小於一顆質子直徑的千分之一。

公式計算

引力波引力波

由E=mc^2、E=nh(J)、F=am、λν=c、q=h(J)*ν得:

F=aE/c^2=nh(J)a/c^2=nh(J)/(t*c)=E/c*t=nh(J)*ν/c=nh(J)/λ=E/λ。a=c^2/λ=ν*c。

由a=ν*c,將a替換為重力加速度g,再由g=ν*c,就可以計算出地球重力場引力波的頻率。

即ν=g/c,地球表面重力場加速度g=9.80米/秒^2,光速c=299792458m/s,

則ν=g/c=9.80/299792458=3.2*10^-8(1/s)。

而對應的引力波的波長則是λ=c/ν=299792458/3.2*10^-8=9.3685*10^15(m)。

愛因斯坦雖然在在其廣義相對論中預言了引力波的存在,但愛因斯坦在廣義相對論中提出的卻是物體加速運動時給宇宙時空帶來的擾動。

而拓變論發現新的事實,卻是引力波是引力場本身的屬性。

事實上引力波無處不在,在整個宇宙範圍內到處都有到處都是,只是隨著引力場強度(正比於g)不同而不同。

引力波也不是什麼過去遺留下來的,而是引力場場強的另一種表現。

引力波的波長是如此之長,以及引力波的頻率是如此之低,正是引力場強度之弱真實證明。同時我們也可以指出為什麼至今還沒有探測到引力波的存在,是科學家把把其性質搞錯了,主攻方向也搞顛倒了,其波長不是如何的短,而是如此的長,因此他們才探測不到。其實引力波是可以隨時隨地就可以檢測到的,對應著此時此地的引力場強度或重力加速度,就可以探測到相應的引力波的波長和頻率。

根據地球表面引力波的如此情況作為參照對比,就可以基本知道電磁場、強作用場和弱作用場的大致頻率和波長的數量級了。

目前人們已知的四種基本作用力的強度分別是,強力其相對強度定義為1,其次就是電磁力為10^-2,弱力為10^-13,引力為10^-38。

這樣我們就可以依據地球表面的重力場強度的波長λ=9.3685*10^15(m)或頻率ν=3.2*10^-8(1/s),來大致確定其他三種基本作用力場強度的波長與頻率了。

地球表面的重力場強度的波長λ=9.3685*10^15(m)與頻率ν=3.2*10^-8(1/s)。

那么強力場強度的波長λ=10^-22(m)與頻率ν=10^30(1/s),電磁力場強度的波長λ=10^-20(m)與頻率ν=10^28(1/s),弱力場強度的波長λ=10^-9(m)與頻率ν=10^17(1/s)。

由於宇宙空間場體的平均引力場強度要比地球表面的引力場強度低得多得多,所以這樣計算出來的數據就要高的多,只是相對的比較一下而已。

偵測辦法

引力波引力波

雖然引力輻射並未被清清楚楚地“直接”測到,然而已有顯著的“間接”證據支持它的存在。最著名的是對於脈衝星(或稱波霎)雙星系統PSR191316的觀測。這系統被認為具有兩顆中子星,以極其緊密而快速的模式互相環繞對方。其並且呈現了漸進式的鏇近(in-spiral),鏇近時率恰好是廣義相對論所預期的值。對於這樣的觀測,最簡單(也幾乎是廣為接受)的解釋為:廣義相對論一定是對這種系統的重力輻射給出了準確的說明才得以如此。泰勒和赫爾斯因為這些成就共同獲得了1993年的諾貝爾物理學獎。

1959年,美國馬里蘭大學教授韋伯發表了證實引力波存在的訊息,這引起了世界物理學界一陣狂熱的激動。事情是這樣的,韋伯等人製造了6台引力波檢驗器,分別放在不同地點進行長期的檢波記載。結果發現在各台檢波器上都記錄到一種相同的、不規則的“擾動”,並證明它並不是由聲學振動、地震、電磁干擾或宇宙線干擾等引起的,因此,他們認為“不能排除這就是引力波”。之後,許多國家的科學家採用各種方法企圖證實宇宙深處的同樣“來客”,但終未得到肯定的結果,於是激動之餘,人們便只能嘆息罷了。

射電天文學的蓬勃發展為物理學家們新的探測途徑。射電望遠鏡的探測本領比光學望遠鏡強得多,美國天文物理學家泰勒等人在1974年,靠著射電望遠鏡發現了一個雙星體系——脈衝射電源(PSR191316)。按照廣義相對論計算,雙星互相繞轉發出引力輻射,它們的軌道周期就會因此而變短,(PSR191316)的變化率為-2.6*10^-12。而在1980年,他們也是採用精密的射電儀器,由實驗行到觀察值為-(3.2±0.01×10^-12,與理論計算值在誤差範圍內正好符合。這可以說是引力波的第一個定量證據。上述訊息傳開,引起物理學界的極大震動。科學家們信心倍增,為歡迎引力輻射這位宇宙“嬌客”將開展更為廣泛的探索研究。因為對引力波的探測不僅可以進一步驗證廣義相對論的正確性,而且將為人類展現出一幅全新的物質世界圖景,茫茫宇宙,只要有物質,到處有引力輻射。

測量工具

LIGO和GEO600是用來測量引力波即時空結構中的波動的工具。引力波非常難以測量,因為當他們到達地球的時候已經變得非常弱了。

LIGO和GEO600通過測量兩條雷射束相遇的時候所形成的干涉圖樣的變化來探測引力波。這些圖樣依賴於雷射束的傳播距離,當引力波穿過時雷射束的傳播距離會相應變化。

這種稱之為雷射干涉計的探測器的靈敏度,是與雷射傳播的距離成比例的。因為探測器需要尋找的是很微弱的信號,所以需要LIGO和GEO的尺寸相當大。

研究突破

引力波是宇宙從大爆炸中誕生後緊接著瞬間的極度混沌中產生的,就像宇宙初生時發出的“啼哭”聲。愛因斯坦在廣義相對論中預言了引力波的存在,科學界一百多年來一直苦苦探尋引力波。一個國際科研小組在2009年8月20日出版的新一期《自然》雜誌上報告說,他們終於鎖定了引力波的探測範圍。

這個科研團隊利用位於美國的“雷射干涉引力波觀測台”,成功地鎖定了引力波的“出沒範圍”,顯示其能量值比原有推測值要小很多。他們預計,探測儀器的靈敏度到2014年可提高1000倍,到時極有可能直接觀測到引力波。

研究人員說,他們的研究成果是尋找引力波過程中“第一次有意義的實驗進展”,如果真能在近期探測到引力波,將極大推動對宇宙誕生和時空本質的理解。正緣於此,全球科學家都積極投入到這項工作中。在《自然》雜誌發表的這篇論文中,作者列表不是通常的幾個或十幾個人名,而是遍布全球的79所大學、實驗室和研究機構。

時空理論

捕捉引力波捕捉引力波

在歐洲引力波探測計畫中,科學家在德國漢諾瓦的GEO600引力波觀測站和義大利比薩的處女座(Virgo)引力波探測器處使用陸基引力波天線。德國漢諾瓦的GEO600引力波觀測站的干涉儀臂長達600米,是德英聯合項目;而處女座引力波探測器臂長更是達到3000米,是義大利、法國、波蘭、匈牙利四個國家聯合研究的項目。

根據相對論可知,高速運動的物體和宇宙中大質量的天體碰撞都會產生極強的引力波,當這些引力波傳到地球上時會變得微乎其微,因此地球需要極高靈敏度的引力波觀測站來探測引力波。引力波

科學家用雷射干涉儀來探測引力波,這種儀器得機構由兩條互相垂直的長臂組成,長臂的兩端掛有兩面高反射率的鏡子,雷射打入到儀器長臂後,從而雷射束在鏡子之間來回反射。而科學家對此進行由於光程差引起的微小變化的檢測,這個微小變化僅僅有質子直徑大小。

此外,對引力波的檢測需要極其高的技術條件:比如隔離真空、隔離振動等。隔離振動包括外部環境致使的振動和內部設備引起的振動。

引力波監測需要多個地面站同時工作,這些地面站的探測裝置都是相同的,這樣可以最大程度上來減小儀器測試產生的誤差;而在監測過程中,必須同時接收同樣的信號,這樣可以避免受到地面信號源的干擾,從而保證引力波信號源的探測的精準性。

德國馬克斯普朗克引力物理研究所、德國漢諾瓦萊布尼茲大學的哈特穆·特格羅特博士通過監測比較認為:GEO600引力波觀測站和Virgo引力波探測器在600HZ以上的中/高頻波段的靈敏度十分相似。這對科學家來說是一件非常有趣的事,科學家可以通過此波段尋找超新星爆炸所產生的引力波,並在此基礎上進行監測,可以節省時間和提高監測效率。

伽馬射線是最強的引力波來源之一,而中子星或黑洞也都是引力波極佳的探測源。不過即使是中子星或黑洞碰撞所傳到地球的引力波信號也非常微弱,因而能監測到的機率非常小。

宇宙暴漲

引力波引力波

宇宙暴漲理論指出,在早期宇宙有一段持續時間非常短的快速膨脹的過程,該理論能夠解釋宇宙大爆炸理論(Bigbangtheory)所不能解釋的一些難題。例如,當今宇宙為何呈現出高度的各項同性(均勻)。

引力波2014年3月,美國哈弗·史密松天體物理中心的科學家宣布,他們已經找到了宇宙早期“暴漲”階段產生引力波的第一個證據,這也是對宇宙暴漲理論(cosmicinflationtheories)最強的驗證。這是人類科學上的重大突破,該成就有望問鼎諾貝爾獎。

這項重大發現來自於位於南極的“BICEP2”望遠鏡,該望遠鏡能夠對宇宙微波背景輻射(CMB)進行觀測。宇宙微波背景輻射是宇宙大爆炸的餘暉,輻射中的微小漲落提供了早期宇宙狀況的信息。

當引力波傳播時它能夠對空間擠壓和拉伸,這種影響能夠在宇宙背景微波輻射中產生特殊的圖案。因為微波背景輻射也是一種光線,也具備光的所有性質,包括偏振。科學家尋找到的是一種稱為“B-模”的特殊偏振形式,它的出現是引力波存在的獨特標記。

為了排除可能出現的誤差,研究團隊用了三年多的時間對數據進行分析。他們這次探測到的宇宙背景輻射中的“B-模”比之前科學家預測的都更加顯著。該結果不僅僅能告訴我們宇宙確實發生過暴漲階段,還能告訴我們它是何時發生和強度多大。

傳播速度

中新社北京12月26日電(記者孫自法)經過10多年的持續探索,中國科學家在世界上成功獲得“引力場以光速傳播”的第一個觀測證據。這項原始創新成果,實現了物理學界多年來對通過實驗或觀測獲得引力場傳播速度的期待,對引力場的理論和實驗研究具有重要意義。

中國科學院地質與地球物理研究所26日下午在北京對外宣布,由該所湯克雲研究員領銜、中國地震局和中國科學院大學有關科研人員組成的科學團組,經過10多年的持續探索,在實施多次日食期間的固體潮觀測後,發現現行地球固體潮公式實際上暗含著引力場以光速傳播的假定,從而提出用固體潮測量引力傳播速度的方法。

湯克雲科學團組先後實施1997年漠河日全食觀測、2001年尚比亞日全食觀測、2002年澳大利亞日全食觀測、2008年嘉峪關日全食觀測、2009年上海-杭州-湖州日全食觀測和2010年雲南大理日環食觀測,主要是重力固體潮觀測。

中國科學家們觀測研究發現:現今固體潮理論公式中隱含著引力場以光速傳播的假定,進而導出引力傳播速度方程,並找到求解引力場速度的有效方法。湯克雲科學團組隨後選擇遠離太平洋、大西洋、印度洋和北冰洋的西藏獅泉河站和新疆烏什站的固體潮數據作相關校正後,代入引力傳播速度方程,最終獲得全球“引力場以光速傳播”的第一個觀測證據。

專家介紹說,牛頓的萬有引力定律表明,引力傳播是一種超距作用,引力可以在瞬間傳播至任意遠處,愛因斯坦則認為牛頓的超距作用應該放棄。一直以來,整個物理學界都在期待著通過實驗或觀測獲得引力場傳播的速度,但此前均未找到正確的實驗或觀測方法。

探測器很可能遭遇引力波“短脈衝”,這是由於兩顆恆星或者兩個黑洞彼此環繞形成的。舒茨發表聲明說:“增加新引力波探測器的有效性遠大於改善現有投資成本,最新部署的探測器已於2010年獲得批准通過,將額外增強靈敏性和可靠性,增大天空探測覆蓋率。不僅我們能夠獲得更大範圍的探測性,我們還將以其它方式研究中子星和伽馬射線暴的更多信息。”

愛因斯坦的廣義相對論描述具有質量的物體如何在時空環境下彎曲,可形象地形容為提供一張緊繃的床單,然後將足球放在床單中心,具有質量的物體在時空下發生的彎曲,猶如足球周圍出現褶皺的床單。

它就像湖面上泛成的波紋,由加速物體導致的時空環境失真將逐漸衰減,因此,當它們抵達地球範圍,則非常難以被探測到,但不是不可能探測到。舒茨說:“在我的意識中,探測引力波將打開調查宇宙的新途徑,我們期望能從合併黑洞中頻繁地探測到引力波,這裡的引力波將攜帶真實可靠的信息。由於引力波是黑洞噴射的唯一放射線,我們將首次直接觀測到黑洞。”

引力波將幫助研究人員探測其它神秘而強大的宇宙事件,施茨說:“引力波具有很強的穿透能力,因此它們可使我們直接觀測到超新星爆炸、伽馬射線暴和其它大量宇宙隱藏秘密的更多信息。”

當前4個引力波探測器中的3個是雷射干涉引力波(LIGO)勘測計畫的一部分,兩個探測器部署在華盛頓州漢福德市,一個探測器部署在路易斯安那州利文斯頓市。另外一個探測器位於義大利Cascina地區,是VIRGO計畫的一部分。

探測發展

美國科學家2014年3月17日首次直接探測到宇宙大爆炸第一波震盪,即原始引力波。

2016年2月11日23點30分,物理學家宣布人類首次直接探測到引力波。

2016年6月16日凌晨,LIGO合作組宣布:2015年12月26日03:38:53(UTC),位於美國漢福德區和路易斯安那州的利文斯頓的兩台引力波探測器同時探測到了一個引力波信號;這是繼LIGO2015年9月14日探測到首個引力波信號之後,人類探測到的第二個引力波信號。

這次所發布的內容可以簡單歸納為如下三點:

(1)此次的兩個引力波信號又都是來自於雙黑洞的合併:一個確認信號,另外一個疑似信號。

(2)此次的信號依舊是美國的aLIGO探測到的。但是VIRGO引力波探測器升級即將完成,今年秋季就開始和LIGO進行聯合觀測。

(3)引力波和多信使(多個信息渠道,比如電磁波,引力波,中微子等;multi-messenger)天文學已被開啟。

發現意義

引力波的發現驗證了廣義相對論最後一個未被實驗直接檢測的預言,但引力波帶來的認知革命絕不止步於此。引力波為我們打開了除電磁輻射(光學、紅外、射電、X射線等)、粒子(中微子、宇宙線)之外,一個全新的視窗——我們從未能夠以這樣的方式觀察宇宙。在引力波這個新視窗中,我們不再是以電磁場、物質粒子作為觀察宇宙的憑藉——我們感受的,是時空本身的顫動!

LIGO的直接探測到的第一例引力波事件(據說)來自兩個恆星質量黑洞的併合。兩個黑洞併合前,會在與彼此的繞轉中攪動周圍的時空,向四周散發出漣漪般的引力波。這些引力波帶走了一部分雙黑洞系統的引力勢能,讓兩個黑洞越繞越近、越近越快。而兩個黑洞最終併合之後,融合成的大黑洞會經過幾下“搖擺”,才會融成完美的球形。

能量來源

廣義相對論預言下的引力波來自於宇宙間帶有強引力場的天文學或宇宙學波源,作為以波動形式和有限速度傳播的引力場。按照廣義相對論,加速運動的質量會產生引力波。包括銀河系內的雙星系統(白矮星、中子星或黑洞等緻密星體組成的雙星),河外星系內的超大質量黑洞的合併,脈衝星的自轉,超新星的引力坍縮,大爆炸留下的背景輻射等等。

愛因斯坦的廣義相對論描述具有質量的物體如何在時空環境下彎曲,可形象地形容為提供一張緊繃的床單,然後將足球放在床單中心,具有質量的物體在時空下發生的彎曲,猶如足球周圍出現褶皺的床單。但它也像湖面上泛成的波紋,由加速物體導致的時空環境失真將逐漸衰減,因此,當它們抵達地球範圍,則非常難以被探測到,但不是不可能探測到。舒茨說:“在我的意識中,探測引力波將打開調查宇宙的新途徑,我們期望能從合併黑洞中頻繁地探測到引力波,這裡的引力波將攜帶真實可靠的信息。由於引力波是黑洞噴射的唯一放射線,我們將首次直接觀測到黑洞。”

歷史發展

間接探尋

20世紀60年代,馬里蘭大學的物理學家韋伯(JosephWeber)首先提出了一種共振型引力波探測器。該探測

韋伯教授在調試他的引力波探測器(1965年)由多層鋁筒構成,直徑1米,長2米,質量約1000千克,用細絲懸掛起來。當引力波經過圓柱時,圓柱會發生共振,進而可以通過安裝在圓柱周圍的壓電感測器檢測到。韋伯曾經在相距1000千米的兩個地方同時放置了相同的探測器,只有兩個探測器同時檢測到相同的信號才被記錄下來。1968年,韋伯宣稱他探測到了引力波,立刻引起了學界的轟動,但是後來的重複實驗都一無所獲。

雖然引力輻射並未被清清楚楚地“直接”測到,然而已有顯著的“間接”證據支持它的存在。最著名的是對於脈衝星(或稱波霎)雙星系統PSR1913+16的觀測。這系統被認為具有兩顆中子星,以極其緊密而快速的模式互相環繞對方。其並且呈現了漸進式的鏇近(in-spiral),鏇近時率恰好是廣義相對論所預期的值。根據廣義相對論,該雙星系統會以引力波的形式損失能量,軌道周期每年縮短76.5微秒,軌道半長軸每年減少3.5米,預計大約經過3億年後發生合併。對於這樣的觀測,最簡單(也幾乎是廣為接受)的解釋為:廣義相對論一定是對這種系統的重力輻射給出了準引力波確的說明才得以如此。

用雷射干涉方法或許可以探測這個雙星系統的引力波。自1974年,泰勒(JosephHootonTaylor)和赫爾斯(RussellAlanHulse)和對這個雙星系統的軌道進行了長時間的觀測,在1980年,他們也是採用精密的射電儀器,由實驗行到觀察值為(3.2±0.01)×10^-12,與理論計算值在誤差範圍內正好符合。這可以說是引力波的第一個定量證據。泰勒和赫爾斯也因這項工作於1993年榮獲諾貝爾物理學獎。

2012年12月,中國科學院地質與地球物理研究所湯克雲研究員領銜的科學組,在實施多次日食期間的固體潮觀測後,發現現行地球固體潮公式實際上暗含著引力場以光速傳播的假定,從而提出用固體潮測量引力傳播速度的方法。最終獲得全球“引力場以光速傳播”的第一個觀測證據。

精確測量

1991年,麻省理工學院與加州理工學院在美國國家科學基金會(NSF)的資助下,開始聯合建設“雷射干涉引力波天文台”(LIGO)。LIGO的主要部分是兩個互相垂直的干涉臂,臂長均為4000米。在兩臂交會處,從雷射光源發出的光束被一分為二,分別進入互相垂直並保持超真空狀態的兩空心圓柱體內,然後被終端的鏡面反射回原出發點,並在那裡發生干涉。若有引力波通過,便會引起時空變形,一臂的長度會略為變長而另一臂的長度則略為縮短,這樣就會造成光程差發生變化,因此雷射干涉條紋就會發生相應的變化。

LIGO從2003年開始收集數據。它是全世界最大的、靈敏度最高的引力波探測所。而全世界共有4個引力波探測器,兩個探測器部署在華盛頓州漢福德市,一個探測器部署在路易斯安那州利文斯頓市。另外一個探測器位於義大利Cascina地區,是VIRGO計畫的一部分。

這兩套LIGO干涉儀在一起工作構成一個觀測所。這是因為雷射強度的微小變化、微弱地震和其它干擾都可能看起來像引力波信號,如果是此類干擾信號,其記錄將只出現在一台干涉儀中,而真正的引力波信號則會被兩台干涉儀同時記錄。此外,對引力波的檢測需要極其高的技術條件:比如隔離真空、隔離振動等。隔離振動包括外部環境致使的振動和內部設備引起的振動。所以,科學家可以對二個地點所記錄的數據進行比較得知哪個信號是噪聲。

直接探測

2016年2月11日,LIGO宣布,於2015年9月14日首次探測到引力波,證實了愛因斯坦100年前所做的預測,直接探測到引力波的存在,彌補了愛因斯坦廣義相對論實驗驗證中最後一塊缺失的“拼圖”。科學家花費數個月時間驗證數據並通過審查程式,才宣布這個訊息,標誌著全球各地研究團隊數十年努力的最高潮。

2016年6月16日凌晨,LIGO合作組宣布:2015年12月26日03:38:53(UTC),位於美國漢福德區和路易斯安那州的利文斯頓的兩台引力波探測器同時探測到了一個引力波信號;這是繼LIGO2015年9月14日探測到首個引力波信號之後,人類探測到的第二個引力波信號。

2017年10月16日,全球多國科學家同步舉行新聞發布會,宣布人類第一次直接探測到來自雙中子星合併的引力波,並同時“看到”這一壯觀宇宙事件發出的電磁信號。

能量性質

宇宙暴漲理論宇宙暴漲理論
引力波是橫波,在遠源處為平面波;有兩個獨立的偏振態;攜帶能量等。引力波攜帶能量,應可被探測到。

但引力波的強度很弱,而且,物質對引力波的吸收效率極低,直接探測引力波極為困難。曾有人宣稱在實驗室里探測到了引力波,但未得到公認。天文學家通過觀測雙星軌道參數的變化來間接驗證引力波的存在。例如,雙星體系公轉、中子星自轉、超新星爆發,及理論預言的黑洞的形成、碰撞和捕獲物質等過程,都能輻射較強的引力波。我們所預期在地球上可觀測到的最強引力波會來自很遠且古老的事件,在這事件中大量的能量發生劇烈移動(例子包括兩顆中子星的對撞,或兩個極重的黑洞對撞)。這樣的波動會造成地球上各處相對距離的變動,但這些變動的數量級應該頂多只有10^-21。以LIGO引力波偵測器的雙臂而言,這樣的變化小於一顆質子直徑的千分之一。

觀測意義

宇宙大爆炸理論-內部結構模型圖宇宙大爆炸理論-內部結構模型圖
引力波的觀測意義不僅在於對廣義相對論的直接驗證,更在於它能夠提供一個觀測宇宙的新途徑,就像觀測天文學從可見光天文學擴展到全波段天文學那樣極大擴展人類的視野。英國天文物理學大師霍金表示,他相信這是科學史上重要的一刻。“引力波提供看待宇宙的嶄新方式,發現它們的能力,有可能使天文學起革命性的變化。這項發現是首度發現黑洞的二元系統,是首度觀察到黑洞融合。

傳統的觀測天文學完全依靠對電磁輻射的探測,而引力波天文學的出現則標誌著觀測手段已經開始超越電磁相互作用的範疇,引力波觀測將揭示關於恆星、星系以及宇宙更多前所未知的信息。

因為引力波直接聯繫著波源整體的巨觀運動,而非如電磁波那樣來自單個原子或電子的運動的疊加,因此引力輻射所揭示的信息與電磁輻射觀測到的完全不同。例如對一個雙星系統觀測到的引力波的偏振揭示了其雙星軌道的傾斜度,這類關於波源運動的巨觀信息通常無法從電磁輻射觀測中取得。

如果比較波長與波源尺寸的關係,宇宙間的引力波並不像電磁波那樣波長比波源尺寸小很多,這使得引力波天文學通常不能像電磁波天文學那樣對波源進行拍照成相,而是類似聲波直接從波形分析波源的性質。大多數引力波源很難或根本無法通過電磁輻射直接觀測到(例如黑洞),這個事實反過來也成立;考慮到一般認為宇宙間不發射任何電磁波的暗物質所占比例要遠大於發射電磁波的已知物質,暗物質與外界的唯一相互作用即是引力相互作用,引力波天文學對這些暗物質的觀測具有重要意義。

引力波與物質的相互作用非常弱,在傳播途徑中基本不會像電磁波那樣容易發生衰減或散射,這意味著它們可以揭示一些宇宙角落深處的信息,例如宇宙誕生時形成的引力輻射至今仍然在宇宙間幾乎無衰減地傳播,這為直接觀測大爆炸提供了僅有的可能。

榮譽

2016年12月22日,美國《科學》雜誌公布了其評選的2016年十大科學突破,有“時空漣漪”之稱的引力波被發現當選2016年頭號突破。
2017年,萊納·魏斯、巴里·巴利許與基普·索恩因成功探測到引力波,而獲得諾貝爾物理學獎

漢語盤點

2017年12月,引力波入選2017十大天文事件。

2017年12月,入選“漢語盤點2017”活動年度候選字詞五大候選國際詞。

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