为什么要探测引力波

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为什么要探测引力波?——捕捉时空涟漪



爱因斯坦于1916年发表了广义相对论理论,建立了著名的引力场方程,从此开辟了近代物理研究的新纪元。一个成功的理论不仅能够解释已经发生的自然现象,还能预言人类未知的奥秘。




水星近日点的剩余进动、引力红移、光线偏转和引力波是广义相对论的四大预言,前三个均被实验所证实,引力波却迟迟不肯现身,成为近百年来困扰科学家的一个物理学难题,有些人甚至因此对广义相对论的正确性产生了怀疑。

2015年9月14日,14亿年前浩瀚的宇宙中两个黑洞并合产生的引力波到达地球,并且被位于美国路易斯安那州利文斯特(Livingston)和位于华盛顿州汉福德(Hanford)的两台激光干涉仪引力波探测器LIGO捕捉到,消息传出,犹如一声春雷震撼大地,全世界一片沸腾。爱因斯坦广义相对论的最后一块“拼图”找到了——人类发现了引力波。



引力波的发现是一个划时代的时间,是人类科学史上的一座丰碑。它不仅为广义相对论画上一个圆满的句号,而且标志着一门崭新的科学领域——引力波天文学的正式开启。



天文学是人类最早接触并研究的科学领域之一,千百年来我们的祖先经过不断地探索,取得了辉煌的成就,创造了灿烂的古代文明。我们知道,天文学观测的基础是天体辐射,宇宙中最重要的天体辐射有两大类:电磁辐射和引力辐射,分别对应于电磁辐射天文学(即通常说的天文学)和引力辐射天文学(即引力波天文学)。迄今为止,人类对天体的观测与研究都属于电磁辐射天文学的范畴。引力波这种全新探测手段的出现是天文学发展史上的一场伟大的变革,由于引力波辐射独特的物理机制和特性,引力波天文学将以全新的探测手段和探测理念为我们提供其他方法不可能获取的天文信息,得到其他探测方法不能得到的结果,绘制出全新的“天体分布太空图”,丰富并加深人类对宇宙的认识。


在波源的整体结构和动力学方面,引力波可以提供电磁辐射不能携带的信息。引力波能向我们提供天体源深处和高密度部分所发生的物理过程的完整信息,而发自天体源深处和高密度部分的电磁辐射由于吸收、散射或被屏蔽,或全部或部分地丧失这些信息。


距离地球16.4万光年的超新星SN1987A爆炸前(右)与爆炸后(左)的景观


宇宙空间中很多引力注目的天文事件,如超新星爆发、星体碰撞、双星并合、脉冲星转动、黑洞扰动等都是剧烈的天文现象,有很强的引力辐射。只有引力波才能给人类带来这些剧烈过程的完整信息。


激光干涉引力波观测站( Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory)


激光干涉引力波观测站( Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory),简称LIGO,LIGO科学合作组,目标是测量在一百万英里的距离内或技术角度上小于氦核直径的位置的相对变化,为几十到几千赫兹的高频段,主要的引力波信号源是中子星、恒星级黑洞等致密天体组成的双星系统并合过程,探测手段就是地面数公里的激光干涉装置。基于地面的引力波探测实验装置,由于受空间距离的限制和地球重力梯度噪声的影响,无法探测低于10Hz的引力波,使其研究目标变得较为有限。


太空探测引力波计划,除了欧洲,美国有BBO计划,也叫“后爱因斯坦”计划,该计划有一颗“大爆炸观测者”卫星,着重探测地面装置和LISA计划之间的“中频引力波”。日本也有DECIGO计划,该计划由3颗无阻力卫星构成,各相距1000公里,计划在2024年发射。地面探测计划除了LIGO之外,还有意大利法国合作的VIRGO计划,德国和英国合作的GEO计划,日本的TAMA300计划。印度LIGO计划声称2024年建成。


太极计划”由3颗以太阳为中心的卫星组成,呈正三角形编队,每颗卫星间距300万公里


而太极计划主要是基于中低频波段(10的-3次方到10的-1次方HZ)引力波的空间直接探测,检验广义相对论对低频引力波的预言。“空间激光干涉法测量中、低频引力波将是天文学和空间宇宙物理最前沿的课题。”


太极计划研究波段