揭示宇宙最初的景观引力波专题.docx
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揭示宇宙最初的景观引力波专题
揭示宇宙最初的景观
引力波不仅能揭示出关于致密星和超密物质的未知性质,而且会告诉我们宇宙150亿年前诞生时的情况。
事实上,最使人们感兴趣的引力波源当属宇宙开端的大爆炸。
在宇宙诞生的最初的瞬间,宇宙中充满稠密的物质,以致由粒子间的碰撞而产生的引力波立即就被另一些粒子吸收了。
在宇宙迅速扩张的暴胀阶段,宇宙的密度突然下降,而释放出的引力波不再被吸收。
从那时起,那些原始的扰动就在我们周围的空间蔓延开来。
目前,微波背景辐射是我们可以捕捉到的关于宇宙大爆炸的最古老的“化石”遗迹。
但在大爆炸后的头50万年里是没有电磁波射出来的,而引力辐射却能不受妨碍地穿过原初宇宙的最高密度区域。
如果能捕捉到它们并对其加以分析,那将可以获得大爆炸后极短时间(10秒)的原初宇宙的宝贵信息,我们有可能追溯到比微波背景辐射给我们带来的时间更为久远的过去。
或许只有引力波能够提供黑洞存在和宇宙诞生的确定证据。
近代天文学史已经证明,每次当我们用肉眼或照相机以外的眼睛(射电望远镜、X射线和Y射线探测器)来观察天空时,总会发现新的奇迹,从而迫使我们更新自己的思想,加深我们对宇宙的认识。
时空就像橡皮地毯
自1916年爱因斯坦预言引力波存在以来,许多科学家就一直试图通过实验测出引力波,但都没有成功。
现在,几个高精密探测装置即将投入运行,其中在意大利建造的“室女图”激光引力波干涉天线就是其中之一。
引力波,这个长期困扰科学家的世纪悬案即将被揭开。
在自然界的所有相互作用力中,引力是最早被人们知道的力。
它的最基本性质──所有物体都以相同的加速度落向地面──在17世纪初就被伽利略所知。
17世纪末,牛顿建立了著名的万有引力定律。
最后,则由爱因斯坦引力场所与时空畸变联系起来,建立了广义相以论。
爱因斯坦的理论预言,宇宙中不仅充满运动着的物质──电磁场,同时也存在另一种运动着的物质──引力场。
就像运动的带电粒子会产生在空间传播的变化的电磁场形成电磁波一样,运动的物体同样也能产生在空间传播的变化的引力场,形成引力波。
引力波也是以光速传播的。
目前,科学家已经可以肯定,广义相对论是正确的,因而引力波必定存在。
长期以来,科学家一直在构思各种实验方法以探测引力波,并通过对射电脉冲双星PSR1913+16公转周期变化的研究间接证实了引力波的存在,但迄今直接测量引力波的实验沿未成功。
长期以来,人们对空间的认识是建立在欧几里得几何之上的。
在人们的传统观念中,空间就像一个由无数坚实的直线构成的网格,其中两点间的最短距离就是连接它们的直线。
而时间与空间是无关的,就像河中的水一样流逝。
但是,爱因斯坦打破了传统的时空观。
按照广义相对论的观点,时间与空间是紧密联系在一起的整体,时空结构是弹性的,并使地毯发生变形,称为时空畸变。
时空畸变的大小与物体质量有关,质量越大变形越大。
物质集中的地方是引力场“浓密”的地方,也是时空弯曲最大的地方,这种时空弯曲产生质量的吸引效应──万有引力。
由于时空弯曲,两点间的最短程线不再是直线,而是一条沿着引力场走向的曲线。
与宇宙调谐一致
室女座引力波干涉天线是呈L形的大型金属结构(下左图),位于距意大利比萨10公里处的卡希纳。
两条垂直的管道(下中图)各长3公里,它们以中心建筑大楼为起点,其中包含的钢管直径不1.2米的(下右图,钢管的局部),内部为高真空状态。
中心建筑物内设有激光器和各种镜子,它们将激光束一分为二,稳定并“净化”其频率,而探测器则用来分析两束激光汇合后强度的变化,从而记录引力波经过时产生的相应信号。
曾经有150位物理学家,80名工程师,70名技术人员和工人为建造这个设施而工作。
这一现象已通过观测来自遥远恒星的光线而得到证实:
如果一个巨大的物体正好位于地球与恒星之间,那么来自恒星的光线就会受到时空弯曲的影响,它的传播路径就会被扭曲而偏离一定的角度。
这种效应还会形成一种有趣的引力透镜现象,它使远处的恒星变得更亮,有时还会形成双像。
如果这个物体是一个黑洞,那么光线就会被吸到引力阱中再也出不来了。
最难检测而又意义重大的波
根据广义相对论,当物体做加速运动时就会对原有的引力场产生干扰从而辐射出引力波,这就好像将一块石头扔到平静的水面上出现的波纹一样。
因此,任何物体都在无时无刻地辐射引力波,它在宇宙中是无处不在的。
例如,地球绕着太阳运行就一定会发出引力波。
地球由此而丧失能量,因而渐渐地沿着螺旋线越来越向太阳靠拢。
既然如此,我们为什么没有察觉到它的存在呢?
答案在于引力实际上是我们所知的最微弱的力。
使原子保持为一个整体的电磁力要比引力强1000万亿亿亿亿(即1039)倍。
我们之所以感受到引力,唯一的原因乃是地球极其巨大,组成地球的无数粒子的引力拉曳累加起来便相当可观了。
但是,引力波是自然界中最微弱、最不易察觉的波,它不会产生我们通常能察觉到的任何效应。
例如,地球绕太阳公转时辐射引力波而丧失的能量只有大约0.001瓦,因而在几十亿年中,它向太阳靠拢的距离简直微不足道。
而假如500亿颗直径为1公里的小行星,以每秒10公里的速度撞向地球,所产生的引力波能量也仅能点亮一只灯泡。
不过没有人能活着看到这个结果。
“室女座”的关键设备
上左图是“室女座”的探测器。
它将发出引力波到达的信号。
上中图和上右图是超级减震器的两个局部,减震器将使设备与外部干扰隔离开。
当然,更大规模的质量重新分布将会产生更强的引力波,例如一颗恒星坍缩成一个黑洞,或者两颗恒星相撞,有可能产生我们可以检测到的引力波。
但即便如此,要直接检测到引力波在技术上也是极为困难的,可以说是对人类智慧的一大挑战。
天文学的新纪元
与电磁波不同,引力波并不被物质吸收,因而来自遥远天体的引力波就能不损失任何携带的信息到达地球。
到目前为止,我们关于宇宙的知识都是通过分析天体辐射的电磁波和宇宙射线中的高能粒子得到的。
但对于最强的引力波辐射源,即中子星对、超新星核心和黑洞,电磁波观测(如光学和射电望远镜)所能揭示的信息极少。
由一对相互环绕运行的中子星系统会辐射出比较强的引力渡并逐渐靠近,最后相撞。
它们靠近的过程非常长,但在相撞前的几分之一秒会释放出很强的引力渡并被地面上的仪器检测到。
即使自转的单个的中子星也能产生周期性的引力波辐射,因为即使它的表面只有千分之几毫米的不对称就足以辐射出强烈的引力波。
因此,如果能直接检测到引力波的话,那将为我们打开一扇认识更神秘的宇宙的新窗口。
怎样建造引力望远镜
我们熟悉的望远镜是用来捕获电磁波的,那么怎样建造一个引力望远镜来捕获引力波呢?
原理很简单。
正如电磁波引起接收天线振荡一样,引力波也使与其相遇的物质以一定方式振荡,使时空橡皮地毯出现轻微波动,时空距离发生伸长或缩短。
例如,如果探测器是一块固体物质,当引力波穿过时该物体的不同部分就会沿不同方向有所移动,即出现形变。
物体中两点间的间隔在引力波作用下发生的变动大小能给出引力波的振幅,而引力波的振幅是其能量的直接量度。
银河系中心两个恒星级黑洞的碰撞将会使一个1米长的棒状探测器两端发生一万亿分之一毫米的移动,约为一个氢原子尺度(1个氢原子的大小约为1埃,l挨=10-10米)的十万分之一。
在20世纪60年代,美国马里兰大学的约瑟夫·韦伯(JosephWeber)曾制造了一个很大的铝质圆柱体,预期其长度会在来自银河系中心引力波作用下发生振荡。
他认为自己已经得到了肯定的结果,并因此而轰动一时。
但是在世界上其他许多地方所做的类似实验表明,他对实验误差所做的解释是不正确的,因为他的装置所能探测的最小振幅要比银河系中心一次超新星爆发所产生的引力波振幅高出1万倍。
因此,尽管韦伯做了很重要的工作,他的仪器却并未精密到足以胜任这项工作的程度。
另外,对银河系中心超新星的探测还有一个问题:
银河系中心的超新星爆发平均每35年一次,而爆发过程中的引力波暴只能持续不到1秒钟的时间。
最有希望探测到引力波的地方是室女星系团,那里有几千个星系聚集在天空中一个很小的视角范围里,超新星爆发和脉冲双星周期的衰减所发生的频率大约是每星期一次。
但是室女星团距地球的距离是5000万光年,比银河系中心远5000倍,这就意味着要探测到那里的一个超新星产生的引力波暴,引力望远镜就必须比用于探测银河系中心类似事件的装置灵敏100万倍。
尽管有如此多的技术困难,引力波的探测技术还是取得了长足的进展,并可能在近期取得突破。
目前一些科学家正在研究第二代棒状探测器。
这种探测器更敏感也更昂贵,并且在接近绝对零度的条件下工作。
另一个更有希望的最新方法是利用光学干涉技术,称为引力波干涉天线。
其原理是测量两面大质量镜子之间距离的振荡。
这两面镜子放在长支架的端点上,它们的距离用一个光学干涉仪系统来检测。
这实际上是一种改进的麦克尔逊──莫雷实验,但它不再是用来测量以太的绝对运动,而是测量时空的抖动。
镜子之间的距离越大,从系统内部的“背景噪声”(由地震波、声波等等所引起)中检测出引力波效应的机会也就越大。
如制造出极高质量的镜子,使之能实现连续几十次光反射,则当镜子之间的实际距离是3公里时能得到的等效距离是120公里。
捕捉引力波的网络
事实上,只有一个引力望远镜检测到了引力波还不足以确认它的真实性,我们最少需要两个引力望远镜联合观测。
因为引力波是不能被物质吸收并以光速传播的,所以如果地球上的一个引力望远镜检测到了引力波,在其他地方的引力望远镜也应该在几乎同一时间检测到它。
因此,我们需要在不向地点建造引力望远镜组成一个网络进行比较,以最终确认观测结果。
时空之中舞翩跹
物体只有在做加速运动时才能辐射引力波。
然而,加速动动并非直线运动的物体所独有,实际上,做圆周运动的物体的速度也是变化的,就像图中所表示的那样。
这就是为什么当两颗恒星跳“双人舞”时辐射引力波的缘故。
目前有几个引力波干涉天线正在建造之中,它们将组成一个检测引力波的国际网络。
这些项目包括在美国路易斯安那州,长4公里的激光干涉仪引力波观测站(LIGO);英德联合建在德国汉诺威,长600米的GEO项目;建在日本东京附近,长300米的TAMA项目;还有就是法意联合建造的“室女座”(Arigo)项目(因为室女星系团是主要探测目标)。
另外,美国航空与航天局还准备计划与欧洲航天局合作,从2001年开始共同实施激光干涉仪太空天线(LISA)计划。
该计划要发射3颗卫星,这3颗卫星将组成一个边长为500万公里的巨大三角形,它们之间以激光束相连。
这样就可以通过测量3颗卫星中的某一颗是否会因引力波的影响而产生微弱的位置偏差来探测引力波。
下面来看一看即将建成的室女座引力波干涉天线的秘密。
全属高塔中的秘密
室女座激光引力波干涉天线从1993年开始建造,再有1年左右即可投入运行。
“室女座”位于意大利比萨附近的卡希纳,是由意大利国家核物理研究所和法国国家科研中心联合研制的。
这两个机构在2000年组建了一个联合机构──欧洲引力观测站(EGO),它的研究人员将负责“室女座”的运行,并与其他几个探测引力波的机构建立起一个全球性网络以捕捉到引力波。
“室女座”的中心是一座高大的建筑物,里面竖立着一座高10米的金属塔。
在这个金属塔的钢壳里隐藏着一个复摆结构,它由5个摆组成,下面则悬挂着各种光学元件。
这里可以说是“室女座”的心脏,这个装置的目的就是将各种光学的和外界的干扰完全隔离起来。
由地震波、刮风、汽车、火车产生的干扰,甚至研究人员在实验室附近活动引起的震动干扰都将通过摆的振动抵消掉。
我们知道,引力波产生的效应是很小的。
如果我们不小。
动地将这些外界干扰去除,是不可能从“背景噪声”中分辨出引力波信号的。
这个金属塔内部还将处于高真空状态,这样就可以将通过声波传递的干扰完全杜绝了。
在摆下面悬挂的光学元件有各种镜子和一个激光器。
激光器发出的激光将被分成两束,并分别进入两条垂直的隧道中。
“室女座”实际上是一个极其精密的光学仪器,它通过激光干涉的方法,以超乎想像的精度来测量引力波引起的空间的变化。
与金属塔相连的是两条长度为3公里的隧道,里面各埋有直径l.2米的钢管。
在每条钢管的两端各有一面反射镜。
当一分为二的两条激光束分别进入两个垂直的隧道后,激光束将被镜子来回反射几十次。
这种结构叫做法布里──珀罗腔。
这样,光束最终在钢管中实际通过的路程相当于120公里。
最后,这两束光线将汇合到一起并发生干涉现象,其结果是根据两束光线经过的路程不同呈现明暗变化。
如果没有外界干扰,这个亮度将维持不便。
两颗中子星的碰撞
图为两颗中子星相撞的模拟图。
在两颗中子星相互接近也会产生引力波,射电脉冲双星PSR1913+16就是一例。
由于辐射引力波消耗了双星的动量,最终使它们发生碰撞产生较强的引力波。
通过观察PSR1913+16,科学家间接证实了引力波的存在。
如果有引力波通过“室女座”,那么它将会引起时空距离的微小变化。
由于两束光线是垂直的,所以引力波对它们的影响不同,最终导致汇合的光线亮度发生变化。
通过观测这个亮度变化我们就可以检测到引力波。
那么“室女座”可以察觉到多大的长度变化呢?
“室女座”的负责人阿达尔伯尔托·贾佐托告诉我们:
“我们的天线具有前所未有的灵敏度。
它可以感知的两点之间距离的变化相当于质子直径的1‰,也就是一百亿亿分之一米。
”
贾佐托说:
“为了达到这样的精度,我们采用了最先进的技术。
在没有现成技术时,我们要自己发明新的方法。
”科学家在建造“室女座”时遇到的最大难题就是背景干扰,也就是由诸多原因造成的设备震动。
为了消除这种震动,他们设计与制作出了超级衰减器,也就是那种复摆结构。
而激光器、镜子和传感器都悬挂在它上面。
但单靠这一措施还不足以消除全部的干扰。
贾佐托解释说:
“制造镜子的材料物质本身就在不断地产生干扰。
这里指的是原子的热扰动,它引起原子位置的变化和引力波引起的效应是同样大小。
我们为‘室女座’研制的镜子具有最好质量的表面(精度高达10纳米),它们是用高纯度的氧化钛制造的,具有极高的发射率。
当激光射中镜子后,只有百万分之一的光损失掉了。
而光具有粒子性,所以激光本身也会干扰传感器的功能。
为了将这种干扰减低到最低限度,我们研制了新一代的超稳定激光器,它发出的激光束的频率非常稳定。
”
在激光束穿梭往来的两条3公里长的钢管内部也将保持高真空状态,因为空气的存在将会引起折射率的波动,并可能改变光束的路径。
此外,设备技术主任凡尼尔·埃纳德还告诉我们:
“在焊接导管之前我们还要将它们加热到400℃以上,以便将氢原子驱赶出来。
它们通常是隐藏在金属结构中,随着时间的推移就会慢慢释放出来,从而破坏高真空的环境。
在完成组装前,还要对每一钢管再次加热,使其内部可能存在水珠蒸发掉。
”
事实上,“室女座”将是欧洲最大的真空结构,其内部的寂静程度将超过在轨道上运转的宇宙飞船。
光学望远镜是瞄准特定天体共有选择地捕捉光波,而引力望远镜则不同,它将同时监测宇宙中所有的引力波源,因此必需对收到的信号进行认真细致的分析,以区别它们不同的来源。
贾佐托说:
“‘室女座’将会昼夜不停地收集信息,并能得到数量众多,令人震惊的数据。
这就需要有高性能的计算机去处理和分析这些数据。
天文学家们已经研究了在我们银河系中的大约700个潜在的引力波源,这些信息将帮助我们识别出一部分信号。
”
事实上,“室女座”的所在地将设一个设备完善的计算中心,以便实时分析处理信息,而有关的差异现象的数据将在意大利国家核物理研究所和法国国家科研中心的实验室里去分析处理。
在未来,当全世界的引力波探测器都可以通过网络相互交换数据时,对同一信号由不同手段所进行的对比研究将会使人们更容易地识别出那种使时空发生振颤的神秘的引力波。
.人们最早研制的引力波探测器是棒状结构的。
因为引力波通过时空间会发生变形便构成物质的原子像弹簧那样振动,所以物理学家们利用这一现象研制成许多棒状探测器。
为了探测到引力波引起的振动就得将掩盖了这种振动的原子热扰动减到最低,棒被浸入液氦中保持在低于绝对温度4度的条件下。
为了隔绝地面的震动干扰装置使用尖端悬挂技术与地面隔离。
目前在世界上投入运转的棒状探测器有5个,意大利有2个。
另外3个分别在瑞士的日内瓦、美国的巴吞鲁日和澳大利亚的珀斯。
棒状探测器是体积很小的仪器,长度只有3米。
如果同引力波干涉天线相比的话,其建造和管理费用是很低的。
但这种设备的灵敏度很低,因为它们对引力波频率最灵敏区间为50-900赫兹,而“室女座”的探测范围是10-6000赫兹。
宇宙中的引力波源.所有加速运动的物体都能辐射出引力波但在多数情况下引力波强度非常弱任何工具都难以检测到。
唯一还算得上较强的引力波源是由宇宙中的灾变事件产生的如超新星爆发或者两颗中子星的相撞等。
中子星的质量与太阳差不多但直径却只有几公里。
在银河系中存在有很多由一对中子星构成的系统这些中子星围绕着共同的引力中心运转并越来越靠近直到撞到一起。
在这个过程中它们运转的速度逐渐增大并辐射出比较强的引力波。
当一个巨大的物体被黑洞吞噬时也会发生类似现象。
最后宇宙仍然充满了由大爆炸产生的原始引力波。
如果科学家能够捕捉到它们并对其加以分析就有可能验证超弦理论的有效性。
这个理论认为我们已认识的所有粒子都是由微小的弦振动产生的。
用激光和镜子捕捉引力波.任何有质量的物体,不管它是恒星还是一个乒乓球,周围都存在引力场。
当物体静止不动或者匀速运动时引力场是稳定的。
如果有作用力施加到物体上将会改变物体的运动状态比如球与球拍相撞,这时物体周围的引力场就会受到扰动,这种扰动就会以波的形态传播开来就像往平静的池塘水面投进一块石头一样。
当引力波经过时,时空结构就会发生变形:
收缩或扩张。
任何两个物体之间的距离在很短的时间内会变小或增大,但这种变化是很小的。
一次超新星爆发产生的引力波在通过像太阳与地球那样的距离的两个物体时引起的两个物体间的距离变化只相当于一个原子直径的大小。
要测量这样微小的量就需要有特别精确灵敏的工具比如像室女座引力波干涉天线那样的探测设备。
室女座由两条各长3公里的金属导管构成的巨型结构,两条导管垂直相汇于一端。
在两条导管相汇处的金属塔中一束激光被一面半透镜一分为二,每一束激光都分别进入一个导管射向另一端,在那里被一面反射镜反射回来,然后又被这一端的反射镜反射回去。
最终两束激光回到金属塔中被合并到一起。
两束激光重叠后的强度取决于两束激光中的每一束光从被分开到重新汇合期间通过的路径长度。
如果一个引力波撞到了“室女座并引起两翼中的一翼的长度发生变化那么重叠的光强度就发生变化,这个变化会被计算机记录下来。
在这个结构中反射镜的位置是按以下的原则确定的:
当两束激光汇合时正好使它们的相位相反,从而相互抵消呈现黑暗。
而一旦出现光信号就表明有引力波通过。
由于光束经过的路径越长,引力波产生的效应越大所以激光束在‘室女座’内反射几十次。
这种使光线来回反射的装置叫法布里──珀罗干涉腔。
激光束在其中反射几十次,直到实际路程达到120公里。
宇宙中的时空“斑点”
两个黑洞碰撞产生引力波,其波纹的形状并不都是一样的。
实际上,波的强度取决于时空波纹的大小。
时空越弯曲,波的强度就越大。
马克斯·普郎克研究所的科学家首次精确地模拟了两个黑洞的碰撞,获得是下面一系列图片。
借助各种颜色,突出了时空发生碰撞的部分的不同波纹。
两个天体的逐步融合引起时空发生复杂的扭曲:
红色区域扭曲最大,绿色区域扭曲最小。
该研究所教授爱德华·塞德尔解释说:
“这一切都将使人更好地理解从碰撞区域所产生的不同类型引力波的扩散情况,从而使在地球上努力分辨引力波的科学家们能准确地知道他们所期待的东西为何物。
”这张模拟图是用运算速度达每秒30亿次的并行计算机绘制的。
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