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引力波研究探测史:爱因斯坦预言成真

作者:管理员      点击次数:56      2016/12/8 9:54:17




引力波研究探测史:爱因斯坦预言成真

新华网科普频道   收藏(0) | 阅读(427)

引力波是一种时空涟漪,如同石头被丢进水里产生的波纹。黑洞、中子星等天体在碰撞过程中有可能产生引力波。科学家研究探测引力波经历了怎样的历史过程?我们一起来回顾一下吧。

1915年,爱因斯坦预言引力波的存在


                                                                                                                                                             爱因斯坦


1915年,爱因斯坦发表广义相对论,并在随后几年的一些论文中预言引力波会产生于强引力场的天体事件。广义相对论的其他预言如光线的弯曲、水星近日点进动以及引力红移效应都已获证实,唯有引力波一直徘徊在科学家的“视线”之外。

1968年,韦伯宣称探测到引力波


                                                                                                                                  韦伯教授在调试他的引力波探测器(1965年)


20世纪60年代,马里兰大学的物理学家韦伯首先提出了一种共振型引力波探测器。该探测器由多层铝筒构成,直径1米,长2米,质量约1000千克,用细丝悬挂起来。当引力波经过圆柱时,圆柱会发生共振,进而可以通过安装在圆柱周围的压电传感器检测到。韦伯曾经在相距1000千米的两个地方同时放置了相同的探测器,只有两个探测器同时检测到相同的信号才被记录下来。1968年,韦伯宣称他探测到了引力波,立刻引起了学界的轰动,但是后来的重复实验都一无所获。

1974年,科学家给出引力波存在的第一个证据



1974年,罗素赫尔斯和约瑟夫泰勒给出了引力波存在的第一个证据。他们观测到一个脉冲星与另一个天体相互绕转组成的双星系统,后来发现第二个天体是一个中子星。这个系统由于辐射引力波,导致脉冲星的轨道缓慢地缩小,观测到的轨道变化率与相对论的预言高度一致。赫尔斯和泰勒的这项工作获得了1993年的诺贝尔物理学奖。

20世纪70年代,尝试激光干涉方法探测引力波




20世纪70年代,加州理工学院的物理学家莱纳·魏斯等人意识到用激光干涉方法探测引力波的可能性。引力波的探测对仪器的灵敏度要求非常高,直到20世纪90年代,如此高灵敏度所需的技术条件才逐渐趋于成熟。

1991年,美国建设激光干涉引力波天文台(LIGO)


                                                                                                                                                 在华盛顿州汉福德的引力波探测器



                                                                                                                                               路易斯安那州列文斯顿的引力波探测器



1991年,麻省理工学院与加州理工学院在美国国家科学基金会的资助下,开始联合建设“激光干涉引力波天文台”(LIGO)。LIGO的主要部分是两个互相垂直的干涉臂,臂长均为4000米。在两臂交会处,从激光光源发出的光束被一分为二,分别进入互相垂直并保持超真空状态的两空心圆柱体内,然后被终端的镜面反射回原出发点,并在那里发生干涉。若有引力波通过,便会引起时空变形,一臂的长度会略为变长而另一臂的长度则略为缩短,这样就会造成光程差发生变化,因此激光干涉条纹就会发生相应的变化。

两台孪生引力波探测器分别在华盛顿州的汉福德和路易斯安那州的列文斯顿,彼此相距3000千米。只有当两个探测器同时检测到相同的信号才有可能是引力波。LIGO于1999年初步建成,2002年开始运行。

2007年,LIGO升级为“增强LIGO”



                                                                                                                                         位于汉福德地区的LIGO观测站的北臂



2007年,LIGO进行了一次升级改造,包括采用更高功率的激光器、进一步减少振动等。升级后的LIGO被称为“增强LIGO”。2009年7月,增强LIGO开始运行直到2010年10月结束。在2002年到2010年期间,LIGO没能探测到引力波存在的可靠证据。

2010年,LIGO升级为“高新LIGO”



                                                                                                                                  高新LIGO探测器简化示意图(未按比例显示)



2010年,LIGO进行了为期五年的重大升级改造,改造之后的探测器灵敏度要求提高10倍,被称为“高新LIGO”。2015年9月18日,高新LIGO开始试运行。

2016年,物理学家宣布人类首次直接探测到引力波



                                                                                                科学家为直接探测到引力波的消息欢呼(从左到右分别为:Gabriela Gonzalez, Rainer Weiss和KipThorne)



美国当地时间2016年2月11日上午10点30分(北京时间2月11日23点30分),美国国家科学基金会(NSF)召集了来自加州理工学院、麻省理工学院以及LIGO科学合作组织的科学家在华盛顿特区国家媒体中心宣布:人类首次直接探测到了引力波!

两台探测器记录到的波形



这一引力波信号于世界协调时间2015年9月14日9:51(北京时间当天下午5:51分),由LIGO的一对探测器探测到。

这次探测到的引力波是由13亿光年之外的两颗黑洞在合并的最后阶段产生的。两颗黑洞的初始质量分别为29颗太阳和36颗太阳,合并成了一颗62倍太阳质量高速旋转的黑洞,亏损的质量以强大引力波的形式释放到宇宙空间,经过13亿年的漫长旅行,终于抵达了地球。



本作品为“科普中国-科技创新里程碑”原创