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时空结构震荡:中子星疯狂旋转引发引力波

发布时间:2011-08-11 08:08:00 来源:腾讯网 作者:Everett
关键字:时空结构震荡 天体碰撞 引力波 中子星

时空结构震荡:中子星疯狂旋转引发引力波

  两个超大质量天体相互旋转并最终碰撞可引发极强的引力波

  据国外媒体报道,在宇宙空间中,荡漾的着一种神秘的波,其产生的原因是重量级的天体相撞,例如中子星与黑洞相撞,还有超新星爆炸、中子星疯狂旋转等等,这一系列听起来越来越恐怖且超出想象范围的灾难性宇宙事件,这些事件发生的同时有一个共同点,这就是爱因斯坦预言中的时空结构震荡。在今年的夏天,来自欧洲多国的科学家联合证明了爱因斯坦关于时空结构震荡的理论是正确的,同时也捕获了引力波存在的证据。

  始于今年夏天,并于秋季结束的欧洲引力波探测计划中,欧洲的科学家使用了两处陆基大型引力波天线,分别是位于德国汉诺威的GEO600引力波观测站和位于意大利比萨附近的处女座(Virgo)引力波探测器。前者是德国和英国联合研制的引力波监测站,具有一套干涉仪,臂长600米。GEO计划源于2002年英国和德国发起的引力波探测计划。而处女座(Virgo)引力波探测器则是意大利、法国、波兰和匈牙利的合作项目,臂长可达3000米。

  而引力波观测站是如何探测引力波的呢?根据广义相对论,高速运动且高加速度的物体以及大质量天体运动、碰撞都会产生引力波,在这样连续的时间里形成波,也就是时空涟漪。而我们平时接触的物体质量太小,产生的引力波太弱,所以宇宙中大质量天体的运动、碰撞等行为都会产生极强的引力波。然而,这些引力波虽然极强,但是传到地球上,就变得非常地微弱了,所以在地球上对引力波进行探测需要极高的灵敏度。

  我们目前使用的探测引力波的方法是激光干涉仪,即法布里-珀罗干涉仪演变过来的。 在真空的条件下,由两条长臂相互垂直结构组成,在长臂的两端悬挂在一面镜子,镜面必须具有高反射率,然后将激光打入长臂中,让激光束在长臂之间的两面镜子间来回反射,而我们需要做的,就是检测由于光程差引起的干涉条纹的变化,而之所以会出现光程差的微小变化,就是因为引力波的影响作用,这个微小的变化只有一个质子的直径大小。由于引力波是极其微弱的,所以需要进行多种隔离手段,真空仅仅是一个方面,比如还要隔离振动,这里的振动不仅包括外部环境因素造成的振动,还有内部长臂内的设备产生的振动。因而,对引力波的监测是需要非常高的技术条件。

  除此之外,一个引力波监测站不可能只有一处监测点,就像一个盲人,用耳朵辨认方向的时候总会转一转头部,这就是用不同的方位角来判断声音的方向。同理,引力波的监测需要多个地面站同时工作,而且还需要一模一样的探测装置,这就是在减小仪器误差和测量误差。在引力波的监测过程中,也必须同时探测并且同时接收的同样的信号,这样才是一个比较接近正确结果的数据,从这个角度出发,由于地面模拟信号可能对引力波的探测进行干扰,所以如果有干扰的模拟信号,那两个以上距离不同的监测点自然不会是一模一样的信号,所以也就避免的地面信号源的干扰,而保证对真正引力波信号源的探测准确性。

  据德国马克斯普朗克引力物理研究所(爱因斯坦研究所)、德国汉诺威莱布尼兹大学的哈特穆特格罗特(Hartmut)博士介绍:如果认真对比GEO600引力波观测站和处女座(Virgo)引力波探测器,可以发现这两个监测点在600HZ以上的中/高频段具有相似的灵敏度。

  这对我们来说是非常有趣的一件事儿,因为我们可以通过这个波段对寻找可能的超新星爆炸和伽马射线暴发所产生的引力波,当然我们并不会大海捞针那样去监测,这些可能的引力波监测方向,都是已经用传统的可见光或者X射线望远镜、红外望远镜已经观测到的,在这个基础进行的监测,不仅能节省时间,也能提高监测效率。

  根据目前的研究,宇宙伽马射线的暴发是最强的引力波来源之一。而宇宙中其他壮观且恐怖的事件,比如超大质量恒星核心崩溃坍缩形成中子星或者黑洞,这些都是引力波极佳的探测源。截至目前,具有什么的频率取决于质量关系,可能将目前的探测波段扩展到千赫兹频率上。但是,千万不要激动,这并不意味着我们能很方便地探测到引力波的信号,前文中已经提到,即使是宇宙中最惨烈的黑洞级碰撞,传到地球上的引力波信号也是极为微弱的,而我们监测到的概率也是非常地低的。

  当然,我们还要感谢处女座(Virgo)引力波探测器在低频信号上的贡献,由于处女座(Virgo)引力波探测器具有极佳的低频灵敏度(小于100HZ),所以这个引力波探测器是对脉冲星引力波信号探测的“能手”,而脉冲星的引力波信号频率一般在22HZ左右。由此可见,对引力波的探测,还需要进一步提高探测的灵敏度。


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