密近雙星系統(tǒng)的引力波探測(cè)

楊子龍

摘 要：引力波是自然界中很微弱、很不易察覺(jué)的波，利用激光干涉儀引力波探測(cè)器捕獲到密近雙星系統(tǒng)產(chǎn)生的引力波信號(hào)，標(biāo)志著引力波天文學(xué)完成了從引力波尋找到天文學(xué)研究這一個(gè)歷史性的轉(zhuǎn)折，這對(duì)于驗(yàn)證廣義相對(duì)論和開(kāi)啟人類(lèi)觀測(cè)宇宙的全新窗口具有重大的意義。

關(guān)鍵詞：引力波；激光干涉儀引力波探測(cè)器；密近雙星系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：P132.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）03-0200-01

愛(ài)因斯坦在1916年提出廣義相對(duì)論，預(yù)言了引力波的存在，但愛(ài)因斯坦本人認(rèn)為引力波太弱而無(wú)法被探測(cè)。近100年后，激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）首次成功直接探測(cè)到了雙黑洞合并的引力波信號(hào)， 為人類(lèi)探測(cè)宇宙打開(kāi)了一扇全新的窗口。

1 引力波的產(chǎn)生

愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程闡述了時(shí)間、空間與萬(wàn)有引力的關(guān)系。由方程可知：任何有質(zhì)量的物體之間都存在引力，當(dāng)物體加速運(yùn)動(dòng)或物質(zhì)體系的質(zhì)量分布發(fā)生變化時(shí)都會(huì)對(duì)周?chē)臅r(shí)空產(chǎn)生影響，時(shí)空在伸展和壓縮的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，這些振動(dòng)就是引力波。就像將一塊石子投入水中所掀起的漣漪，人們形象地稱(chēng)之為“時(shí)空漣漪”。物體的質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)速度決定了引力波的大小。質(zhì)量越大的物體以越快的速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，形成的引力波越強(qiáng)。例如，兩個(gè)中子星共同組成雙星時(shí)的引力波就很強(qiáng)。

2 密近雙星系統(tǒng)

密近雙星系統(tǒng)是指由兩顆恒星組成，相對(duì)于其他恒星來(lái)說(shuō)，位置看起來(lái)非?？拷?，而且存在物質(zhì)從一顆子星流向另一顆子星，這樣的雙星稱(chēng)為密近雙星系統(tǒng)。

相互旋繞的密近雙星是宇宙空間中探測(cè)引力波的主要對(duì)象，在雙星系統(tǒng)接近繞轉(zhuǎn)的過(guò)程中，會(huì)不斷向外輻射引力波，從而引起引力勢(shì)能降低，軌道能量損失，使雙星距離變小，相互繞轉(zhuǎn)的頻率變得更高，所輻射的引力波的振幅也越來(lái)越大，逐漸進(jìn)入我們?cè)诘厍蛏辖⒌奶綔y(cè)器的測(cè)量范圍之內(nèi)，最后相互碰撞進(jìn)而合并在一起。合并過(guò)程的引力輻射是劇烈的、爆發(fā)性的，這時(shí)的引力波攜帶大量與星體內(nèi)部結(jié)構(gòu)和質(zhì)量有關(guān)的信息，為研究此類(lèi)天體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和特性參數(shù)提供有用的數(shù)據(jù)。合并之后，引力波具有“余波”特點(diǎn)，幅度逐漸衰減直至消失，據(jù)此可以得出合并體的質(zhì)量、自旋等信息。

3 引力波的探測(cè)方法

引力波是自然界中很微弱、很不易察覺(jué)的波，直接“捕獲”引力波是困難的。像中子星那樣質(zhì)量巨大的物體在做加速運(yùn)動(dòng)時(shí)輻射產(chǎn)生的引力波在遙遠(yuǎn)的宇宙中對(duì)地球周?chē)臻g的影響極其微弱。引力波在通過(guò)像太陽(yáng)與地球那樣距離（1.5億公里）的兩個(gè)物體時(shí)，引起的空間變化（收縮或擴(kuò)張）只相當(dāng)于一個(gè)氫原子直徑（1.5×10-10米）的大小。激光干涉儀引力波探測(cè)器的出現(xiàn)開(kāi)辟了引力波探測(cè)的新時(shí)代。它的探測(cè)靈敏度高，探測(cè)頻帶寬，升級(jí)潛力大，給引力波探測(cè)帶來(lái)新的希望。

如圖1所示，激光干涉儀引力波探測(cè)器是一臺(tái)“變異”的邁克爾孫干涉儀，由光學(xué)部分、機(jī)械部分和電子學(xué)部分等組成。從激光器發(fā)出的一束單色的頻率穩(wěn)定的激光，在分光鏡上被分為強(qiáng)度相等的兩束，一束經(jīng)反射進(jìn)入干涉儀的臂，另一束透過(guò)分光鏡進(jìn)入與其垂直的另一臂。經(jīng)臂末端鏡子反射，兩束光折回并在分光鏡上相遇，產(chǎn)生干涉。由于從分光鏡反射的光有半波損失，兩束光干涉減弱，這時(shí)無(wú)光線進(jìn)入，探測(cè)器輸出信號(hào)為零。當(dāng)引力波到來(lái)時(shí)，由于它的極化特性，兩個(gè)臂的長(zhǎng)度做相反的變化，即一臂伸長(zhǎng)時(shí)另一臂相應(yīng)縮短，從而使兩束相干光有了光程差，破壞了相干減弱的初始條件，有光線進(jìn)入光探測(cè)器，光探測(cè)器有信號(hào)輸出，該信號(hào)的大小與光程差（即引力波強(qiáng)度）有關(guān)。

激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）是借助于激光干涉儀來(lái)聆聽(tīng)來(lái)自宇宙深處引力波的大型研究?jī)x器。由兩個(gè)干涉儀組成，每一個(gè)都帶有兩個(gè)4千米長(zhǎng)的臂并組成L型，每個(gè)臂由直徑為1.2米的真空鋼管組成。在光學(xué)方面，它用到高功率的連續(xù)穩(wěn)定激光，加工極為精細(xì)的低吸收鏡子以及FP腔和功率循環(huán)腔。在機(jī)械方面，它用到被動(dòng)阻尼和主動(dòng)阻尼的隔震技術(shù)以及真空技術(shù)。圖2位于美國(guó)路易斯安那州利文斯頓附近的臂長(zhǎng)4km的激光干涉儀引力波探測(cè)器LIGO（llo）。

4 引力波探測(cè)的意義

引力波探測(cè)具有重大的意義。首先引力波探測(cè)將直接驗(yàn)證廣義相對(duì)論的一大預(yù)言，提供強(qiáng)場(chǎng)中引力理論的最好檢驗(yàn)；其次，引力波信號(hào)所蘊(yùn)含的天體物理信息很多將無(wú)法由傳統(tǒng)天文學(xué)手段獲得，這意味著引力波探測(cè)將開(kāi)啟人類(lèi)觀測(cè)宇宙的一個(gè)全新的窗口，例如：引力波使我們可以直接“窺探”黑洞的形成、雙黑洞系統(tǒng)的并合或者蘊(yùn)藏有超大質(zhì)量黑洞的星系核中心，測(cè)量中子星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和物態(tài)，了解超新星爆炸的內(nèi)部過(guò)程，揭開(kāi)伽瑪射線暴的前身系統(tǒng)之謎等；最后，引力波的探測(cè)有助于真正理解宇宙大爆炸原初時(shí)刻的物理過(guò)程，引力波以光速傳播并能夠穿透電磁波無(wú)法穿透的空間，它與物質(zhì)的相互作用非常弱，所以利用引力波，可以探究138億年前創(chuàng)生宇宙的“大爆炸”，看到宇宙大爆炸之后的10-35方秒的時(shí)間里開(kāi)始的宇宙形成過(guò)程。所以引力波是了解宇宙形成的最好工具，有助于人類(lèi)了解宇宙的起源和運(yùn)行機(jī)制。

探測(cè)到引力波需要設(shè)備靈敏度在10-21以上，目前第一代激光干涉儀引力波探測(cè)器的靈敏度是10-22，在發(fā)現(xiàn)引力波的巨大鼓舞下，以愛(ài)因斯坦望遠(yuǎn)鏡為代表的第三代激光干涉儀引力波探測(cè)器正在加緊研發(fā)，在第二代的基礎(chǔ)上靈敏度又提高一個(gè)數(shù)量級(jí)，直指10-24。以第三代引力波探器為基礎(chǔ)的引力波天文臺(tái)的建立，必將迎來(lái)一門(mén)全新的學(xué)科——引力波天文學(xué)的蓬勃發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]王運(yùn)永，朱宗宏，R.迪薩沃.引力波天文學(xué)——一個(gè)觀測(cè)宇宙的新窗口[J].現(xiàn)代物理知識(shí)， 2013，25（4）：25-32.

[2]朱宗宏，王運(yùn)永.引力波的預(yù)言、探測(cè)和發(fā)現(xiàn)[J].物理，2016，45（5）：300-310.

[3]王運(yùn)永，朱興江，劉見(jiàn)，等.激光干涉儀引力波探測(cè)器[J].天文學(xué)進(jìn)展，2014，（3）：348-382.

[4]李燕.引力波的發(fā)現(xiàn)及其重要意義[J].物理通報(bào)，2016，（s2）：123-124.

[5]劉見(jiàn)，王剛，胡一鳴，等.首例引力波探測(cè)事件GW150914與引力波天文學(xué)[J].科學(xué)通報(bào)， 2016，61（14）：1502-1524.