引力波_引力波源和引力波探測實驗

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1、云南天文臺臺刊PublicationsofYunnanObservatory2002年第3期2002No13Ξ引力波、引力波源和引力波探測實驗唐孟希1,李芳昱2,趙鵬飛3,唐敏然4(1.中山大學(xué)物理系,廣州510275;2.重慶大學(xué)應(yīng)用物理系,重慶400044;3.湛江師范學(xué)院物理系,湛江510089;4.中山大學(xué)中山醫(yī)學(xué)院基礎(chǔ)部,廣州524048)摘要:引力波是愛因斯坦和其他物理學(xué)家提出的關(guān)于廣義相對論的四大預(yù)言之一。除了PSR1913+16引力輻射阻尼的觀測提供了引力波存在的間接證據(jù)外,科學(xué)家至今仍沒有在實驗室中確證引力波的存在。由于人類目前的技術(shù)水平

2、還不可能在實驗室中產(chǎn)生強度可供探測的引力波,而宇宙中存在大量大質(zhì)量、高速運動的天體,有可能產(chǎn)生較強的引力波,天體引力波源自然成為現(xiàn)階段科學(xué)家研究引力波的首選。本文介紹廣義相對論框架下預(yù)言的引力波性質(zhì),引力波探測的理論依據(jù),共振型棒式天線和激光干涉儀兩大類探測器的基本原理,引力波探測實驗的現(xiàn)狀和面臨的困難,科學(xué)家采取的對策,以及爆發(fā)型和連續(xù)型兩類天體引力波源。最后介紹了正在計劃中的幾個引力波探測空間實驗。關(guān)鍵詞:廣義相對論;引力波;引力波源;空間實驗中圖分類號:O412,P142.84文獻標識碼:A文章編號:1001-7526(2002)03-0071-17

3、1廣義相對論和引力波牛頓的引力理論統(tǒng)治了物理學(xué)界200多年。根據(jù)牛頓的引力理論,由兩個質(zhì)點組成,作周期運動的動力學(xué)系統(tǒng),運動軌跡是一個封閉的橢圓,太陽系的行星軌道就屬于這種情況。當考慮到太陽的質(zhì)量四極矩和受到其他天體的攝動時,行星繞太陽運動的軌道不再封閉,橢圓軌道的近日點會以一定的角速度進動。離太陽越近的行星軌道,進動角速度越大。1859年Leverrier首先發(fā)現(xiàn),水星軌道近日點的進動,在扣除以上因素外,還有每百年38s的剩余進動無法在牛頓力學(xué)的框架內(nèi)給出解釋。Newcomb進行了精度較高的觀測后得出,這個剩余的進動為每百年43s。1916年愛因斯坦在他

4、早期發(fā)表的廣義相對論的論文中就給出了行星近日點進動的廣義相對論的計算值1,這個值與Leverrier和Newcomb的觀測值相符合。這是廣義相對論第一個成功的例證。根據(jù)廣義相對論,愛因斯坦和其他的物理學(xué)家先后提出了4個預(yù)言,即光線在引力場中的偏折,光譜線在引力場中的紅移,引力輻射存在和黑洞存在。這4個預(yù)言中的前2個在隨后不久便得到了Ξ基金項目:國家自然科學(xué)基金(10175096)資助項目.收稿日期:2001-12-27作者簡介:唐孟希,男,教授,研究方向:引力理論和引力實驗.驗證,而后2個預(yù)言的驗證工作在很長時間得不到進展。由于引力相互作用的微弱性和不可屏

5、蔽性,給引力實驗帶來了巨大的技術(shù)困難。直到60年代初期,對廣義相對論的實驗檢驗仍然停留在以上的三大檢驗上。而科學(xué)上有這種情況,實驗科學(xué)家能提供的實驗和觀測數(shù)據(jù)越少,進度越低,理論科學(xué)家能創(chuàng)造的理論也就越多。盡管60年代以后,實驗和觀測精度有了很大的提高,有一些理論被淘汰,但還有不少與愛因斯坦廣義相對論平行的理論通過了現(xiàn)有的所有實驗檢驗,如Brans-Dicke的標量—張量理論2,Will-Nordtvedt的矢量—張量理論3,Lightman-Lee的雙度規(guī)理論4等。要進一步認識引力相互作用的規(guī)律,區(qū)別這些名目繁多的引力理論的真?zhèn)?可以有以下兩種途徑。一是

6、把這些理論中的度規(guī)在Minkowski度規(guī)的鄰域中按物質(zhì)變量展開成冪級數(shù),構(gòu)成所謂參量化的后牛頓體系(ParametrizedPost-NewtonianFormalism),即PPN形式體系5。不同的引力理論對應(yīng)不同的展開系數(shù),再把這些系數(shù)和觀測實驗結(jié)果比較,這種方法就稱為后牛頓檢驗或稱PPN檢驗。檢驗引力理論正確性的另外一個途徑就是利用不同的引力理論中關(guān)于引力輻射的預(yù)言的不同?，F(xiàn)行的引力理論都屬于度規(guī)理論,幾乎所有的度規(guī)理論都預(yù)言了引力輻射的存在。但在不同的度規(guī)理論中,引力輻射的性質(zhì)表現(xiàn)出極大的差別,如引力輻射的偏振態(tài)數(shù),多極輻射特性,引力輻射的傳播速

7、度等等。引力輻射是時空度規(guī)畸變的傳播。按照廣義相對論,一個物質(zhì)系統(tǒng)產(chǎn)生的引力輻射的總能量與該系統(tǒng)質(zhì)量四極矩對時間的三階導(dǎo)數(shù)的平方成正比。顯然,質(zhì)量四極矩的變化速度越大,引力輻射的強度就越強。今天人類的技術(shù)水平尚未能在實驗室中產(chǎn)生強度可供探測的引力輻射,因此,大質(zhì)量、高速運動的天體就成為首選的引力輻射源。超新星爆發(fā)、致密星和黑洞的形成會發(fā)出脈沖引力輻射,非軸對稱旋轉(zhuǎn)的致密天體、雙星系統(tǒng)會發(fā)出連續(xù)的引力輻射。60年代中期,Weber開始在美國Maryland大學(xué)的實驗室內(nèi)建成了世界上第一個引力輻射探測器。它的主體是重1.4t的鋁棒。在引力輻射的作用下,鋁棒將發(fā)

8、生與時空度規(guī)畸變量級相同的應(yīng)變,固定在鋁棒上的壓電陶瓷傳感器記錄下