中科大现代天文学讲义10引力波及引力波的探测

第十讲引力波及引力波的探测问题：什么是引力？什么是引力波？万有引力的本质人们熟知的万有引力的本质是什么？牛顿认为是一种即时超距作用，不需要传递的“信使”。爱因斯坦则认为是一种跟电磁波一样的波动，称为引力波。引力波的预言----牛顿的引力理论牛顿认识到将苹果拉向地球的力很可能与使月亮围绕地球转的力是一样的。那么，所有物体之间一定存在一种吸引的力，并称之为引力。引力波的预言----牛顿的引力理论的贡献牛顿的理论解决了许多他那个时期的难题，包括的潮汐产生原因，地球和月亮的运动，以及彗星的轨道问题。虽然牛顿的理论解释了什么是引力，但是，在随后的300年中，引力产生的原因仍然是个谜。引力波的预言----牛顿的引力理论的缺陷随着科学家们发展出更好的天文学工具，他们发现他们的观察结果跟牛顿理论预言的有些稍微的差别。比如说，牛顿理论对于水星运行轨道的预测与实际观察的结果稍微有些不同。如果太阳突然消失，将会发生什么事？该问题的解释不能令人满意。引力波的预言----牛顿的引力理论的缺陷根据牛顿的理论，整个宇宙都会立刻觉察到太阳的消失。这就意味着所有环绕太阳的行星都会沿切线方向飞离环绕轨道。爱因斯坦的解释：信息能瞬时通过宇宙传播的这个思想被称为超距作用。爱因斯坦和其他很多科学家都被超距作用所困扰，因为它意味着信息可以传播得比光还快。爱因斯坦在1916年终于解决了超距作用这个问题。他解释，重力不像牛顿说的那样是瞬时传播的，它的传播需要时间。爱因斯坦以详细的理由说明离太阳越远的行星会越迟知道太阳消失了，所以较近的行星会先飞离轨道。引力波的预言----爱因斯坦狭义相对论日常经验让我们得到：物体之间的相对运动速度。引力波的预言----爱因斯坦狭义相对论阿尔伯特·爱因斯坦在1905年解释了这个现象，他认为不同于车的速度，光的速度是恒定的，不会随观察者的移动而变化。引力波的预言----爱因斯坦狭义相对论狭义相对论的原理：光速是恒定的，完全不依赖于观测者及光源的速度。物理学的法则并不依赖于观测者的运动，除非观测者的速度有变化。设想有两个人在观察一束光。对于静止站立的人，光速是每秒30万公里；对于在以18万公里每秒时速飞行的太空船中的人来说，光速仍将是每秒30万公里。但是这又怎么可能呢？引力波的预言----爱因斯坦狭义相对论按照爱因斯坦的理论，运动中的物体在比它静止时来得短。类似地，运动中的时钟跳得比静止的时钟更慢。爱因斯坦推断空间和时间可以精确得描述为一个整体-时空。引力波的预言----爱因斯坦广义相对论修改引力定义在地球上自由下落的人就像太空中的宇航员一样感觉不到地心引力的作用。在恒定加速上升的火箭中，人将感受到和坐在地球上的人相同的引力作用。广义相对论的基本假定是地球上的物体感受到的地心引力和远离大质量物体、恒定加速的物体所感受到的力是完全相同的。爱因斯坦认为引力并不是牛顿所想的那样。引力波的预言----爱因斯坦广义相对论他认为物体之所以会互相吸引是因为重的物体扭曲了时空，其它物体则选择了扭曲时空中的最短路径。想像在蹦床中心放一个保龄球。球的重量将使蹦床中部下陷。而蹦床边缘的轻物体，比如网球，将沿着曲面移向保龄球-就像行星围绕着太阳运行。蹦床的下陷描绘了大质量物体如何扭曲时空。网球的移动路径说明了物体在扭曲时空沿最短路径移动。牛顿认为地心引力是两个物体间的神秘作用力，而爱因斯坦认为它反映的是时空的扭曲。引力波的预言----爱因斯坦广义相对论广义相对论的预言之一是光线经过大质量物体时会弯曲。大质量物体会扭曲它们周围的时空，以至任何物质，即便是光，在穿越时空时也将按弯曲的路线行进。1919年，阿瑟·艾丁顿通过在日全食时测量太阳边缘处的星光对这个预言进行了验证。他的结果完美地符合了爱因斯坦的预言。这也是对爱因斯坦理论的第一个实验上的证实，并使他在科学界和公众中迅速成名。引力辐射电荷被加速时会发出电磁辐射，同样有质量的物体被加速时就会发出引力辐射，这是广义相对论的一项重要预言。广义相对论广义相对论（GeneralRelativity┦前蛩固褂?1915年以几何语言建立而成的引力理论，统合了狭义相对论和牛顿的万有引力定律，将引力改描述成因时空中的物质与能量而弯曲的时空，以取代传统对于引力是一种力的看法。狭义相对论和万有引力定律，都只是广义相对论在特殊情况之下的特例。狭义相对论是在没有考虑重力时的情况；而万有引力定律则是在距离近、引力小和速度慢时的情况。引力波的预言----爱因斯坦广义相对论应用广义相对论回答刚开始提出的问题：如果太阳突然消失，将会发生什么？根据广义相对论，行星之所以环绕太阳是因为它们沿弯曲时空的最短路线行走。引力波的预言----爱因斯坦广义相对论把引力波想象成投入池塘中的石头引起的水波可能会帮助理解。当石头投入水面时，在石头周围的水就立刻被扰动，并且扰动会从那里传播到其他地方。引力波的提出引力子的探测—引力波人工源爱因斯坦在1916年提出了一个旋转棒的方案：用一根二十米长、五百吨重的钢棒，以非常快的速度绕棒的中心旋转，就能产生引力子来。宇宙天体是巨大的引力波源一个电子作变速运动（或来回振动）辐射的电磁波是无法接收的，而一大群电子来回振动（振荡）辐射的电磁波则要强大得多，完全可以被接收到；同样，一个质点作变速运动（或来回振动）辐射的引力波也是难以接收的，一个含巨大质量的物体作变速运动（或来回振动）辐射的引力波就一定很强大，是可能被接收到的。做变速运动的巨大物体在宇宙中比比皆是，那就是星系和大质量天体。天体引力波源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。引力子的探测—引力波自然源理论研究表明:只有由两颗中子星组成的双星体系才有可能检验引力辐射阻尼。在已经发现的大约五百颗脉冲星中,PSR1913+16是最早的一个由两颗中子星组成的双星系统。轨道周期7.75小时椭率0.617从1974年以后,泰勒和他的合作者赫尔斯不断地分析积累多年的观测资料,发现：双星相互旋转一周每十年减少4秒相当于每年相互靠近一厘米到2004年又发现了由一对高速旋状的中子星组成的双星系统---PSRJ0737-3039A/B轨道周期更短引力辐射更强周期2.4小时椭率0.088引力子的探测—引力波自然源根据相对论计算双星系统的轨道运动会因为辐射引力波而使周期变短，轨道变小理论计算和观测结果误差不超过0.5%这是引力波存在的第一个间接定量证据，是对爱因斯坦的广义相对论的一项重要验证。引力子的探测—引力波自然源1993年Nobel奖颁给两位美国科学家赫尔斯和泰勒，就是奖励他们观察致密双脉冲星PSR1913+16获得引力辐射的间接证据。目前引力波的直接检测已成为现代物理学重大课题中的当务之急。天体连续引力波源的特点：连续谱，频率较低，源比较确定。周期性连续源双星旋转、中子星自转；星体的旋转或自转，其各部分运动的轨迹必定是曲线，曲线运动也是一种变速运动。星体旋转或自转常常有自己的周期，所以它们是周期性的引力波连续辐射源。引力子的探测—引力波自然源天体爆发引力波源：超新星爆发，天体引力坍塌，黑洞合并等。特点：随机性。爆发源超新星爆发，其上各部分必然急剧加速运动；星体坍缩，或黑洞俘获物质，也是一种剧烈的变速运动，它们均属于爆发性的，称为引力波爆发源。宇宙本底辐射来自太空的引力波背景辐射，它们千年不衰，万世不竭。源头何在？而在引力波天空中，始终响着嗡嗡的背景声，那是宇宙创生的回音，这才算得上是大爆炸的真正遗迹（与微波背景辐射相比）。引力波的探测科学家们为了寻找引力子和探测引力波，兵分两路：一路人马抓紧研究新的探测方法和提高探测仪器的灵敏度另一路人马开始寻找能产生引力子的大源泉。引力波的探测引力波探测的原理很简单，无外乎时空波动让物体位形发生改变。困难：引力辐射的微弱对于最激烈的天体活动，引力波对探测器的影响也很难超过背景噪声。引力波的两种偏振分量（+与×）对环形质量分布的影响。引力波的探测—韦伯的尝试1958年，马里兰大学的美国人韦伯第一次开始探测引力波，他用巨大的铝筒和棒形天线进行探测。引力波的探测—韦伯的尝试韦伯探测装置—共振质量探测器原理：类似于电磁波引起接收天线的共振一样，引力波也使与其相遇的物体以一定的方式发生震荡。足够强的引力波作用在一个物体的圆形截面上，我们将看到截面的上下左右不断拉长或压缩，从而使物体的截面在圆形和椭圆形之间来回变化。探测设备是数个长2米、直径1米的实心铝棒，共振频率1660Hz（与坍缩星的引力辐射峰频吻合），用细索悬在真空室中。引力波的探测—韦伯的尝试如果入射波满足共振条件，形变可以被大大加强并超过背景噪声，棒上附属的压电晶体就会探测到位移，并将其转换为电信号，传达给外电路。为了保证足够的共振时间，同时也为了降低系统噪声，棒的阻尼要比较小。为了尽量排除干扰，韦伯的策略是，只有两个以上的金属棒同时收到超过背景噪声的信号时，才将其作为确切结果记下。他在距离马里兰上千公里的芝加哥设置了一个共振棒。引力波的探测—韦伯的尝试1969年韦伯在PhysicalReviewLetters杂志上发表了他的结果，宣称在81天内探测到了24例几乎同时穿过了马里兰州和芝加哥的探测器的事件。这样的事件，并说通过计算，最合理的解释是引力波。次年Weber又公布了数百个事件，并认为它们是来自银心的。震惊了物理学界。引力波的探测—韦伯实验结果的困惑没有其它任何一个小组能重复他的实验结果，其它类似的实验没有得到韦伯宣布的信号韦伯宣称接收到的是来自银河系中心的引力波，也就是说当时银河系中心应该发生十分激烈的天文事件，当时的天文观测资料未见任何异常韦伯探测到的“引力波”的能量太大，令人难以置信。韦伯的实验至今已经被否定了，但他提出的探测方法和原理却是正确的。因为该探测器只对特定的，有大量背景噪音的引力波源敏感，其探测频带太窄。故而目前应用的不多。引力波探测—迈克尔逊干涉仪1956-1972年，Pirani,Weber和Weiss等先后提出了用激光干涉仪探测引力波的设想。激光干涉引力波探测仪的主体是一台激光迈克尔逊干涉仪。在无引力波存在时，调整臂长使从互相垂直的两臂返回的两束相干光在分光镜处相干减弱，输出端的光电二极管接收的是暗纹，无输出信号。引力波的到来会使一个臂伸长另一臂缩短，使两束相干光有了光程差，破坏了相干减弱的初始条件，光电二极管有信号输出，该信号的大小与引力波的强度成正比。原理不很复杂，而且初步探讨也始于1960年代。早期的干涉仪式探测器臂长相对很短，如1970年代麻省理工学院建造的5米干涉仪、1980年格拉斯哥大学建造的10米干涉仪、1983年马克斯—普朗克研究所建造的30米干涉仪等，中国也于1980年代末在广州和北京分别建造了3米和0.5米干涉仪。引力波的探测1970-1980年代，美国加州理工学院和麻省理工学院开始研制激光干涉仪；1990年代中期，分别在华盛顿州的Hanford和路易斯安娜州的Livingston开始建造引力波探测站，并于2003年以来，相继建成臂长4km、2km的激光干涉仪引力波探测仪共两套。期间，意大利与法国合作建造臂长3000米的激光干涉引力波探测站Virgo,德国与英国合作建造臂长600米的激光干涉引力波探测站GEO,日本建造臂长300米的激光干涉仪引力波探测站TAMA。激光干涉引力波探测仪的灵敏度比共振棒高出3--4个量级，可探测的引力波源是共振棒的109--1012倍！美国的引力波激光干涉观察台-----LIGO项目开始于：1991年秋，共投资：3.6亿美元两套干涉仪：hanford—washingtonlivington—louisiana目的：同时工作：消除噪音；灵敏度：用于探测低频(10-4-10-1Hz)引力波，灵敏度~10-21。它们能够从地球的震动以及电子噪音中分辨出来自宇宙的引力波。自2003年收集数据，目前还没有任何发现美国的引力波激光干涉观察台-----LIGOLIGO（LaserInterferometerGravitational-waveObservatory）美国建造的引力波激光干涉观察台——LIGO，臂长4km2（垂直）。美国的引力波激光干涉观察台-----LIGOLivington,luoisana臂长2km2意大利VIRGO实验意大利Cascina臂长3公里2GEO600德国，汉诺威；密闭60厘米*600米的真空管英德合作2002年开始运作TAMAlocatedonMitakacampusofNAOJ.日本东京附近臂长300米日本的新项目：LCGT欧洲空间局的探测装置──LISA欧洲空间局和美国航天局正在进行一项雄心勃勃的计划，他们打算在2015年前后，建立一个1000倍地球大小的巨型探测系统。此系统称为激光干涉空间天线（LISA）。该系统由3对飞船组成，每对飞船至另两对飞船的距离皆为500万千米。探测面积大，所受外界干扰少灵敏度高，更易捕捉低频引力波信号。问题与讨论什么是引力波？爱因斯坦和牛顿对于引力的描述有什么不同？简述你对于引力波的理解和认识。黑洞黑洞的提出牛顿万有引力的提出：苹果落地！想法：地球自转速度很快，人不会掉到星空中的原因是受到地球的引力，并且引力越大，离开地球就越困难。由引力和离心力平衡关系可以得出：拉普拉斯关于黑洞的猜想拉普拉斯：地球质量变大速度v增大超过光速--30万公里/秒---那会是什么样呢？这样的星球就会变成黑洞。也即是R足够小，M足够大的星球就是理论上的黑洞。爱因斯坦计算出黑洞的大小真正解决这个问题的是—希尔伯特爱因斯坦。根据广义相对论，他算出黑洞的大小。制造黑洞理论预言：质量M足够大星云收缩形成恒星恒星塌缩的归宿：小质量的-----白矮星质量中等-----中子星质量大于三个太阳的恒星-----黑洞黑洞的时间特性“黑洞”很容易让人望文生义地想象成一个“大黑窟窿”，其实不然。所谓“黑洞”，就是这样一种天体：它的引力场是如此之强，就连光也不能逃脱出来。根据广义相对论，引力场将使时空弯曲。当恒星的体积很大时，它的引力场对时空几乎没什么影响，从恒星表面上某一点发的光可以朝任何方向沿直线射出。而恒星的半径越小，它对周围的时空弯曲作用就越大，朝某些角度发出的光就将沿弯曲空间返回恒星表面。等恒星的半径小到一特定值（天文学上叫“史瓦西半径”）时，就连垂直表面发射的光都被捕获了。到这时，恒星就变成了黑洞。说它“黑”，是指它就像宇宙中的无底洞，任何物质一旦掉进去，“似乎”就再不能逃出。实际上黑洞真正是“隐形”的。那么，黑洞是怎样形成的呢？其实，跟白矮星和中子星一样，黑洞很可能也是由恒星演化而来的。当一颗恒星衰老时，它的热核反应已经耗尽了中心的燃料（氢），由中心产生的能量已经不多了。这样，它再也没有足够的力量来承担起外壳巨大的重量。所以在外壳的重压之下，核心开始坍缩，直到最后形成体积小、密度大的星体，重新有能力与压力平衡。质量小一些的恒星主要演化成白矮星，质量比较大的恒星则有可能形成中子星。而根据科学家的计算，中子星的总质量不能大于三倍太阳的质量。如果超过了这个值，那么将再没有什么力能与自身重力相抗衡了，从而引发另一次大坍缩。根据科学家的猜想，物质将不可阻挡地向着中心点进军，直至成为一个体积趋于零、密度趋向无限大的“点”。与别的天体相比，黑洞是显得太特殊了。例如，黑洞有“隐身术”，人们无法直接观察到它，连科学家都只能对它内部结构提出各种猜想。弯曲的空间黑洞是怎么把自己隐藏起来的呢？答案就是——弯曲的空间。光是沿直线传播的。这是一个最基本的常识。可是根据广义相对论，空间会在引力场作用下弯曲。这时候，光虽然仍然沿任意两点间的最短距离传播，但走的已经不是直线，而是曲线。形象地讲，好像光本来是要走直线的，只不过强大的引力把它拉得偏离了原来的方向。在地球上，由于引力场作用很小，这种弯曲是微乎其微的。而在黑洞周围，空间的这种变形非常大。这样，即使是被黑洞挡着的恒星发出的光，虽然有一部分会落入黑洞中消失，可另一部分光线会通过弯曲的空间中绕过黑洞而到达地球。所以，我们可以毫不费力地观察到黑洞背面的星空，就像黑洞不存在一样，这就是黑洞的隐身术。更有趣的是，有些恒星不仅是朝着地球发出的光能直接到达地球，它朝其它方向发射的光也可能被附近的黑洞的强引力折射而能到达地球。“黑洞”无疑是目前最具有挑战性、也最让人激动的天文学说之一。许多科学家正在为揭开它的神秘面纱而辛勤工作着，新的理论也不断地提出。既然黑（理论预言）那么如何探测呢？量子效应：黑洞不黑。宏观束缚---物质波微观解放----个性分布广泛单个粒子的逃逸黑洞的年龄1974年，霍金证明黑洞具有与其温度相对应的热辐射，称为黑洞的发射。黑洞的质量越大，温度越低，发射过程就越慢，反之亦然。一吨重的黑洞----瓦解时间为10的负10次方秒100万吨的黑洞----只能维持10年类似太阳大的黑洞-----存活10的66次方年找寻黑洞是当代天文学的一个重要课题。银河系内的恒星级黑洞候选者有天鹅座X-1等。天文学家们还发现大星系的中心通常会隐匿着一个百万太阳质量以上的巨型黑洞。如在超巨星系M87的中心就很可能隐匿着质量达30亿个太阳的黑洞。双星系统作为候选体：观测为X射线单星源运动旋转方式找到伴星伴星质量大到三个太阳科学家观测到两个正在相互吞并的黑洞北京时间5月20日消息，据国外媒体报道，美国的科学家们近日表示，他们最近利用望远镜成功地观测到了两个超大质量的黑洞。在距离地球约3亿光年远的两个碰撞星系中，科学家们已经在其中心处准确定位出了两个超大质量的黑洞。科学家们曾经运用种种不同波长的光对NGC6240进行过详尽的观察研究。在哈勃望远镜拍摄到的图象中，可以看见可见光中的碰撞星系的外部，以及由单颗星星、气体和尘埃组成的长长的潮汐尾。美国航天局(NASA)“钱德拉”?纀天文观测卫星进行的X射线研究表明，位于这两个星系中心的两个超大质量黑洞的确存在美国长基线干涉阵也在该星系中心区域发现了两个无线电源。加利福尼亚大学研究小组组长克莱尔-麦克斯说：“如今，我们可以通过红外图像真实地看到该黑洞外围所有的热尘埃、星星以及X射线和无线电喷射。黑洞的合并离不开它们所在星系的最初合并，如果在星系中含有少量气体，则星系合并的可能性将取决于星系的结构。但是如果含有大量气体的两个星系发生碰撞，则随后通常是超巨黑洞的合并。当两个星系开始碰撞时，气体会失去能量并进入星系核心内部，结果两星系核心会变得更密实和更稳定。当两星系核心合并时，位于两星系核心内部的超巨黑洞也会发生合并，如果两星系核心破裂，就不会发生合并了。”科学家们认为，星系合并是星系形成的主要方式之一。就象熔岩灯中受热熔化的蜡一样，两个小星系会合并起来形成一个较大的星系，或者说一小团气体和星星在某个混乱的星系碰撞中会逐渐发展形成一个小型星系。我们的银河系有可能在几十亿年后与其邻近的仙女座碰撞，并合并成为一个更大的椭圆形的星系。一旦这种情况发生，就有可能形成类似NGC6420的黑洞合并。在星系合并时，星系中心的巨型黑洞也开始合并。最近的研究表明，超大质量黑洞有助于我们确定其主星系的许多特性。科学家发现除大型小型外的新中型黑洞

迄今为止天文学家发现的黑洞只有两类。一类是大型黑洞，它们坐落在一个星系的中心，质量是太阳的几百万倍甚至几十亿倍。正如美国哈佛-斯密森天文物理研究中心的科学家菲利浦·卡瑞特所说：“这里存在一个很大的缺口。”科学家现在已经发现宇宙中几十个可能存在中型黑洞的地方，但还没有肯定这里一定有黑洞。根据美国《空间》杂志网站的报道，正是那位菲利浦·卡瑞特先生，认为他与同事一起发现了中型黑洞。原来他的研究小组确定了从一个坐落在距离地球1000万光年的一片星云中心的X射线源发出的X射线强度，发现强度是我们太阳发出的X射线的几百万倍。而科学家都承认，当黑洞吞噬周围的恒星时才发射出X射线。中型黑洞应该是在宇宙早期形成的，有的科学家还猜测，大型黑洞是在宇宙发展的过程中，通过中性黑洞的相互结合而形成的，因此，研究中型黑洞对研究宇宙的演变有很大意义。黑洞究竟是什么？1916年广义相对论出现不久，卡尔.史瓦西（KarlSchwarzchild）就求出了用以描述时空的爱因斯坦方程的一个十分有用的解。该解作为时空的一种可能的形状，可以用来描述一个球对称的、不带电、无自旋的物体（可能也可用于近似描述如地球和太阳等缓慢自旋的物体）之外的引力场。其原理就和当你想研究地表之外的牛顿引力而将地球视为质点一样。奇点然而当球坐标很小的时候，这个解开始变得奇怪起来。在r=0的中心处有一个“奇点”，那里的时空弯曲是无限的；围绕该点的区域内，球坐标的负方向实际成为时间（而非空间）的方向。任何处于这个范围内的事物，包括光，都会为潮汐力扯碎并被强迫坠向奇点。这个区域被一个史瓦西坐标消失的面与宇宙的其他部分分离开来。当时的人们并未为此担心，因为所有已知的物体的密度都达不到使这个内部区域扩大到物体之外的程度，即对于所有已知情况，史瓦西解的这个奇怪部分都不适用。阿瑟.斯坦雷.爱丁顿（ArthurStanleyEddington）曾考虑过一颗死亡的恒星坍塌后可能达到这个密度，但从审美的角度出发不太愉快地将其抛弃了，并人为应该有新的理论补充进来。一旦一颗恒星的坍缩超过史瓦西坐标消失的球面（称为不带电、无自旋物体史瓦西半径或“视界”）它就不可避免地继续坍缩下去。同你无法停住时间的车轮一样，它将一直坍缩至奇点。没有任何进入那个区域的东西可以幸免。视界是一个有去无回的转折点。1971年约翰.阿奇贝尔德.威勒（JohnArchibaldWheeler）命名这样的事物为“黑洞”，因为光无法从中逃逸。基于许多证据，天文学家有许多他们认为可能是黑洞的候选天体（其证据是：它们的巨大质量可以从其对其他物体的相互作用中得到；并且有时它们会发出X射线，这被认为是正在坠入其中的物质发出的）。宇宙在形成之初为什么没有坍缩成黑洞？有些人很难理解为什么大爆炸不是一个黑洞。很难理解的原因：物质它在其最初的几分之一秒内的密度比所有已知恒星的密度都高得多如此高密度的物质理应强烈地扭曲时空，当密度足够大时，一定会出现一个相对于其内部质量而言尺寸小于史瓦西半径(SchwarzschildRadius)的区域。大爆炸设法避免了限于自己制造的黑