密近雙星系統(tǒng)的引力波探測

楊子龍

摘 要：引力波是自然界中很微弱、很不易察覺的波，利用激光干涉儀引力波探測器捕獲到密近雙星系統(tǒng)產(chǎn)生的引力波信號，標志著引力波天文學完成了從引力波尋找到天文學研究這一個歷史性的轉(zhuǎn)折，這對于驗證廣義相對論和開啟人類觀測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器；密近雙星系統(tǒng)

中圖分類號：P132.6 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）03-0200-01

愛因斯坦在1916年提出廣義相對論，預(yù)言了引力波的存在，但愛因斯坦本人認為引力波太弱而無法被探測。近100年后，激光干涉引力波天文臺（LIGO）首次成功直接探測到了雙黑洞合并的引力波信號， 為人類探測宇宙打開了一扇全新的窗口。

1 引力波的產(chǎn)生

愛因斯坦場方程闡述了時間、空間與萬有引力的關(guān)系。由方程可知：任何有質(zhì)量的物體之間都存在引力，當物體加速運動或物質(zhì)體系的質(zhì)量分布發(fā)生變化時都會對周圍的時空產(chǎn)生影響，時空在伸展和壓縮的過程中會產(chǎn)生振動，這些振動就是引力波。就像將一塊石子投入水中所掀起的漣漪，人們形象地稱之為“時空漣漪”。物體的質(zhì)量和運動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動時，形成的引力波越強。例如，兩個中子星共同組成雙星時的引力波就很強。

2 密近雙星系統(tǒng)

密近雙星系統(tǒng)是指由兩顆恒星組成，相對于其他恒星來說，位置看起來非常靠近，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引力波的主要對象，在雙星系統(tǒng)接近繞轉(zhuǎn)的過程中，會不斷向外輻射引力波，從而引起引力勢能降低，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越大，逐漸進入我們在地球上建立的探測器的測量范圍之內(nèi)，最后相互碰撞進而合并在一起。合并過程的引力輻射是劇烈的、爆發(fā)性的，這時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，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 引力波的探測方法

引力波是自然界中很微弱、很不易察覺的波，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動時輻射產(chǎn)生的引力波在遙遠的宇宙中對地球周圍空間的影響極其微弱。引力波在通過像太陽與地球那樣距離（1.5億公里）的兩個物體時，引起的空間變化（收縮或擴張）只相當于一個氫原子直徑（1.5×10-10米）的大小。激光干涉儀引力波探測器的出現(xiàn)開辟了引力波探測的新時代。它的探測靈敏度高，探測頻帶寬，升級潛力大，給引力波探測帶來新的希望。

如圖1所示，激光干涉儀引力波探測器是一臺“變異”的邁克爾孫干涉儀，由光學部分、機械部分和電子學部分等組成。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度相等的兩束，一束經(jīng)反射進入干涉儀的臂，另一束透過分光鏡進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，這時無光線進入，探測器輸出信號為零。當引力波到來時，由于它的極化特性，兩個臂的長度做相反的變化，即一臂伸長時另一臂相應(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，有光線進入光探測器，光探測器有信號輸出，該信號的大小與光程差（即引力波強度）有關(guān)。

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

4 引力波探測的意義

引力波探測具有重大的意義。首先引力波探測將直接驗證廣義相對論的一大預(yù)言，提供強場中引力理論的最好檢驗；其次，引力波信號所蘊含的天體物理信息很多將無法由傳統(tǒng)天文學手段獲得，這意味著引力波探測將開啟人類觀測宇宙的一個全新的窗口，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)的并合或者蘊藏有超大質(zhì)量黑洞的星系核中心，測量中子星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和物態(tài)，了解超新星爆炸的內(nèi)部過程，揭開伽瑪射線暴的前身系統(tǒng)之謎等；最后，引力波的探測有助于真正理解宇宙大爆炸原初時刻的物理過程，引力波以光速傳播并能夠穿透電磁波無法穿透的空間，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方秒的時間里開始的宇宙形成過程。所以引力波是了解宇宙形成的最好工具，有助于人類了解宇宙的起源和運行機制。

探測到引力波需要設(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器的靈敏度是10-22，在發(fā)現(xiàn)引力波的巨大鼓舞下，以愛因斯坦望遠鏡為代表的第三代激光干涉儀引力波探測器正在加緊研發(fā)，在第二代的基礎(chǔ)上靈敏度又提高一個數(shù)量級，直指10-24。以第三代引力波探器為基礎(chǔ)的引力波天文臺的建立，必將迎來一門全新的學科——引力波天文學的蓬勃發(fā)展。

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