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探寻引力波究竟是怎么被发现的?

Yesky天极新闻2016-02-15 17:52我要吐槽

  【天极网IT新闻频道】北京时间11日晚上的美国自然基金会新闻发布会确认,人类首次直接探测到了引力波,这可谓一件全球轰动性科学事件。

  在过去的六十年里,有许多物理学家和天文学家为证明引力波的存在做出了无数努力。其中最著名的要数引力波存在的间接实验证据——脉冲双星PSR1913+16。1974年,美国物理学家家泰勒(Joseph Taylor)和赫尔斯(Russell Hulse)利用射电望远镜,发现了由两颗质量大致与太阳相当的中子星组成的相互旋绕的双星系统。由于两颗中子星的其中一颗是脉冲星,利用它的精确的周期性射电脉冲信号,我们可以无比精准地知道两颗致密星体在绕其质心公转时他们轨道的半长轴以及周期。根据广义相对论,当两个致密星体近距离彼此绕旋时,该体系会产生引力辐射。辐射出的引力波带走能量,所以系统总能量会越来越少,轨道半径和周期也会变短。

  泰勒和他的同行在之后的30年时间里面对PSR1913+16做了持续观测,观测结果精确地按广义相对论所预测的那样:周期变化率为每年减少76.5微秒,半长轴每年缩短3.5米。广义相对论甚至还可以预言这个双星系统将在3亿年后合并。这是人类第一次得到引力波存在的间接证据,是对广义相对论引力理论的一项重要验证。泰勒和赫尔斯因此荣获1993年诺贝尔物理学奖。

  在实验方面,第一个对直接探测引力波作伟大尝试的人是韦伯(Joseph Weber)。早在上个世纪50年代,他第一个充满远见地认识到,探测引力波并不是没有可能。从1957年到1959年,韦伯全身心投入在引力波探测方案的设计中。最终,韦伯选择了一根长2米,直径0.5米,重约1吨的圆柱形铝棒,其侧面指向引力波到来的方向。该类型探测器,被业内称为共振棒探测器(如下图):

探寻引力波究竟是怎么被发现的?

  韦伯的共振帮探测器只有2米,强度为10-21的引力波在这个长度上的应变量(2×10-21米)实在太小,对上世纪五六十年代的物理学家来说,探测如此之小的长度变化是几乎不可能的。虽然共振棒探测器没能最后找到引力波,但是韦伯开创了引力波实验科学的先河,在他之后,很多年轻且富有才华的物理学家投身于引力波实验科学中。

  在韦伯设计建造共振棒的同时期,有部分物理学家认识到了共振棒的局限性,有一种基于迈克尔逊干涉仪原理的引力波探测方案在那个时代被提出。到了70年代,麻省理工学院的韦斯(Rainer Weiss)以及马里布休斯实验室的佛瓦德(Robert Forward),分别建造了引力波激光干涉仪。到了70年代后期,这些干涉仪已经成为共振棒探测器的重要替代者。

  自20世纪90年代起,在世界各地,一些大型激光干涉仪引力波探测器开始筹建,引力波探测黄金时代就此拉开了序幕。

  这些引力波探测器包括:位于美国路易斯安那州利文斯顿臂长为4千米的LIGO(L1);位于美国华盛顿州汉福德臂长为的4千米的LIGO(H1);位于意大利比萨附近,臂长为3千米的VIRGO;德国汉诺威臂长为600米的GEO,日本东京国家天文台臂长为300米的TAMA300。这些探测器在2002年至2011年期间共同进行观测,但并未探测到引力波。在经历重大改造升级之后,两个高新LIGO探测器于2015年开始作为灵敏度大幅提升的高新探测器网络中的先行者进行观测,而高新VIRGO也将于2016年年底开始运行。此外,欧洲的空间引力波项目eLISA和日本的地下干涉仪KAGRA 的研发与建设也在紧锣密鼓地进行。

作者:科普中国责任编辑:天极科普君一夏末)
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