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引力波——观测宇宙的新窗口
发布时间:2022-09-08浏览次数:140

  IGO 激光干涉仪实现了引力波的首次直接探测电磁辐射、宇宙射线月 advanced L,宇宙的新窗口[1]开启了引力波观测。的今天5年前,——GW170817被成功捕获首例双中子星并合的引力波信号,文学进入新阶段标志着多信使天。

  16年在19,相对论引力场方程之后爱因斯坦在完成广义,了引力波随即预言。力波的强度如此之小但是同时也认为引,远无法探测到或许人类永。在爱因斯坦之前值得一提的是,(Henri Poincaré)都有讨论过引力波的存在的可能性[2]奥利弗·黑维赛 (Oliver Heaviside)和亨利·庞加莱 。

  世纪初就预言了引力波尽管爱因斯坦在20,纳州的Chapel Hill会议上但是直到1957年在美国北卡罗来,理属性认识才逐渐清晰科学家对于引力波的物。力波研究对于引,程碑意义的会议这是一个具有里,n)、施温格(Schwinger)等著名物理学家汇集了惠勒(Wheeler)、费曼(Feynma,讨了引力物理的诸多问题为期六天的会议深入探,力波是否具有实际物理效应其中一个重要议题就是引,珠实验 (Sticky bead argument)”[3]更为具体的一点就是引力波是否携带能量?费曼提出了理想实验“粘:

  在一根棒上自由滑动“假定两个珠子能够,微的摩擦但具有轻,该实验装置时当引力波经过,的原子作用力保持固定棒的长度由于材质间,作用在棒上摩擦滑动而珠子受到引力波的,生热能”从而产。

  议之后在会,eber) 开展了引力波探测器的的设计与会的约瑟夫·韦伯 (Joseph W,称为 Weber bars他所设计的棒状探测器后来被。和芝加哥附近的阿尔贡国家实验室(Argonne National Laboratory)他将两个棒状探测器分别布置于马里兰大学(University of Maryland),用于排除局部环境噪声对探测器的影响两个探测器相距约 950 km 。

  69年19,章宣布探测到了引力波信号韦伯发表了一篇PRL文,自银河系中心方向的引力波信号并在随后实验中探测到了多个源。团组跟进同类实验之后有多个国际,测到同类信号然而并未探,时同,Weber的探测率进行了否定理论天体物理学家的计算也对。为韦伯探测到了引力波信号尽管此后学界已普遍不认,引力波的先驱但作为探测,引力波探测的方法让学界重新审视。

  74年19,H. Taylor 发现了脉冲双星系统 PSR B1913+16天文学家 Russell A. Hulse 和 Joseph ,互绕转过程中的轨道周期变化并通过脉冲观测发现了双星相。义相对论根据广,产生引力辐射双星绕转将,导致其绕转周期的缩短引力波带走系统能量将,对论的理论预言相互吻合连续观测结果与广义相。实了引力波的存在该观测从侧面证,力波携带能量也验证了引。统、开辟了研究引力的新途径而获得1993年的诺贝尔物理学奖Hulse 和 Taylor 两人因发现新类型的脉冲星系。

  个臂长为 4 km 的激光干涉仪〇 LIGO 探测器:目前包含两,的 Livingston(在建的第三个探测器位于印度)分别位于美国的华盛顿州 Hanford 和路易斯安那州, km(光程 10 毫秒)两个探测器相距 3000。科学基金会(NSF)支持1990年获得美国国家,002年完成建设、设备安装和工程调试initial LIGO 探测器到2,波信号搜寻工作随后进行引力,2010年观测持续到,到引力波信号但并未探测。IGO 被升级到 advanced LIGO在2010-2014年 initial L,、改进隔震系统和悬挂系统等通过增加干涉仪光学镜质量,升级完成并开始运行在 2015 年,波的首次直接探测[5在观测初期实现引力,]6。

  于探测室女座星系团范围内的引力波事件〇 Virgo 探测器:其名字源自,名字已失去最初的意义随着灵敏度的提升该。NRS和意大利INFN联合建立Virgo 探测器最初由法国C,1994年先后批复了该项目两个机构分别于1993年和,为 3 km探测器臂长,郊区的Cascina位于意大利Pisa。go的建成于2003年initial Vir,到2011年之后持续观测,ced Virgo升级之后对其进行advan。因素的影响但由于多种,017年直到2,dvanced LIGO 探测器联合观测advanced Virgo才与两个 a。首例双黑洞并合的引力波信号尽管Virgo探测器错过了,并合的引力波信号[7]但没有错失首例双中子星。

  德国和英国联合建立的引力波探测器〇 GEO600 探测器:是由,z山建立臂长为 3 km 的地下激光干涉仪探测器最初的设计目标是在德国北部的Har,989年然而在1,获得资金支持项目申请并未。94年19,)郊区建立一个臂长为 600 m 激光干涉仪探测器方案变为在德国汉诺威(Hannover,5年开工建设并于199,开始进行观测2002年。硬件条件受限于,IGO 和 Virgo 探测器GEO600的灵敏度不及 L,用于 LIGO 和 Virgo[8]但由其所研发和测试的相关技术被广泛应。

  本的地下激光干涉引力波探测器〇 KAGRA探测器:是日,中微子探测器附近位于著名的神冈,3 km臂长 。个引力波探测器相较于前面三,华体会hth体育器起步相对较晚KAGRA探测,0年获批在201,初步完成建设在2019年,IGO和Virgo较低目前探测灵敏度相较于L。成的激光干涉仪不同于其他已建,技术以降低热噪声影响KAGRA采用低温,的改进带来新的技术[9]该技术可能为未来灵敏度。

  9月14日2015年,个探测器同时观测到一个引力波信号advanced LIGO 的两,黑洞并合所产生信号由两个双,阳质量和29个太阳质量其质量分别为36个太,410 Mpc距离地球大约 ,62倍太阳质量的黑洞两者并合后形成一个,能量被引力波信号带走其中有3个太阳质量的。距 3000 km得益于两个探测器相,不同探测器的时间通过分析信号到达,波源的空间方位可以得到得到,下图所示其原理如。

  一个源自于双中子星并合的引力波信号—GW170817[10]2017年8月17日 LIGO 和 Virgo 同时观测到。go 的灵敏度较差尽管当时的 Vir,GO 进行波源空间定位但是依然能够协助 LI。同时与此,线暴也被Fermi卫星上GBM所观测到并合发生 1.7s 后所产生的短伽马射,后续的观测中被发现[11]其他波段的电磁对应体也在。体的观测标志着多信使天文学进入新阶段GW170817的探测及其电磁对应。

  测低频引力波的方案基于十万至百万公里的空间激光干涉仪〇 低频引力波 (10-4Hz—1 Hz):目前探,、中国的太极计划和天琴计划代表方案包括欧洲的LISA。、恒星级致密双星的早期旋进和随机引力波信号典型波源包括大质量黑洞并合、极端质量比旋近。

  :探测方案基于通过分析不同方向脉冲星的信号到达时间〇 甚低频引力波 (10-9Hz—10-6Hz),阵列 (PTA构成脉冲星计时, array) 来探测引力波pulsar timing。括:北美的NANOGrav目前国际上的相关组织团队包,EPTA欧洲的,PPTA澳洲的,PTA等中国的C。洞并合和随机引力波信号典型波源包括超大质量黑。

   ):该频段的引力波可能产生于宇宙早期的各种物理过程〇 极低频引力波 (10-18Hz—10-15Hz,背景辐射的偏振来进行探测目前的通过观测宇宙微波,CEP 和中国西藏的阿里计划等代表的观测实验包括南极的 BI。

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