引力波天文学的基本介绍
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发布时间：2022-04-23 16:41
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时间：2022-05-11 21:05
由于万有引力相互作用和电磁相互作用相比强度十分微弱，引力波的直接观测对现有技术而言还是一个很大的挑战。自1916年爱因斯坦发表广义相对论，在理论上预言引力波的存在以来，引力波至今未能在实验上直接被检测到。因此从这个意义上说，真正实现通过引力波的观测来从实验上研究天体系统，从而完善引力波天文学这一新兴领域还为时尚早。但从相关的理论研究角度来看，理论上的引力波天文学已经存在，它的发展基础是20世纪中叶以来在引力辐射框架下的天体物理学研究，其中最著名的例子是普林斯顿大学的拉塞尔·赫斯（Russel Hulse）和约瑟夫·泰勒（Joseph Taylor）发现的脉冲双星，PSR 1913 16，这些研究使人们逐渐发现相对论性引力在天体系统中的重要地位。而从实验的角度来看，引力波的探测技术研究已经取得了相当的成果，研究人员预测人类很有可能在不远的将来实现对引力波的直接探测。
广义相对论预言下的引力波来自于宇宙间带有强引力场的天文学或宇宙学波源，近半个世纪以来的天体物理学研究表明，引力辐射在天体系统中出现的场合非常丰富。这些可期待的波源包括银河系内的双星系统（白矮星、中子星或黑洞等致密星体组成的双星），河外星系内的超大质量黑洞的合并，脉冲星的自转，超新星的引力坍缩，大爆炸留下的背景辐射等等。引力波的观测意义不仅在于对广义相对论的直接验证，更在于它能够提供一个观测宇宙的新途径，就像观测天文学从可见光天文学扩展到全波段天文学那样极大扩展人类的视野。传统的观测天文学完全依靠对电磁辐射的探测，而引力波天文学的出现则标志着观测手段已经开始超越电磁相互作用的范畴，引力波观测将揭示关于恒星、星系以及宇宙更多前所未知的信息。 1916年，爱因斯坦在其著名的广义相对论中的引力场方程展示了，在平坦真空背景下忽略自引力的引力波动行为，也就是说引力——这种时空本身的性质，其扰动可以在时空中以光速传播。爱因斯坦广义相对论的成功在于它的预言大多得到了观测的很好地证实，这其中包括三大经典检验：1）水星近日点进动；2）光线在引力场中的偏折；3）引力红移效应。但是实验物理学家永远不会停止检验一个理论的脚步，广义相对论也继续不停地经受着各种实验和天文观测的考验，甚至同一实验人们也在不停地想方设法提高精度。同时理论家们为此也不断地对广义相对论的引力理论进行完善，也有人不断提出不同于广义相对论的引力理论。前者比如1957年前后，引力波携带能量，引力波无穷远处渐近行为，弯曲时空下短波近似的引力波发射等等工作才慢慢使得引力波的存在至少在理论上是被广泛接受的。后者的例子也很多，比如著名的Brans-Dicke理论等等。
20世纪五六十年代掀起的一股检验广义相对论的浪潮中，Russel Hulse 和 Joseph Taylor对脉冲双星PSR 1913+16的观测是尤为著名的一个经典。他们对于双星绕转轨道的监测结果精确地与广义相对论下由于引力辐射导致能量损失的预言相吻合，这就间接地证明了引力波的存在。这项工作也因此获得了1993年的诺贝尔物理学奖。另一方面，被称为“引力波天文学之父”的Joseph Weber在上世纪六七十年代利用共振棒天线企图直接探测引力波的开创性实验也极大刺激了整个科学界对于引力波探测的热情。尽管他前后两次宣称探测到了引力波信号的实验备受争议，也都没有得到来自同行的认可。但自此以后，人们开始意识到引力波探测的重要意义：它不仅仅是对广义相对论和其他众多引力理论的检验，一旦探测到信号将为人类开启一扇观测宇宙的新窗口！
上世纪*十年代以来，多个大型的激光干涉仪探测引力波实验项目被提出并最终得以开展。比如最早的美国的LIGO，从最初的位于加州理工学院的40m原型干涉仪到现在的两个4km、一个2km的激光干涉引力波天文台；意大利 – 法国合作的VERGO，臂长为3km；德国 – 英国的GEO600和日本的TAMA300。所有这些都已经开始工作并持续地收集数据，达到或者接近设计的灵敏度水平。澳大利亚也计划在南半球建造一个相当于升级后的LIGO干涉仪，其80m的原型设备已经开始在西澳洲运行，用以检测相关的技术。
地面激光干涉仪受各种噪声的影响是得它的敏感频率远在1 Hz之上。于是，把这种干涉仪搬到太空中去在美国宇航局（NASA）宏伟的目标下并不显得不切实际。最终确立的由NASA和ESA（欧空局）合作的LISA (Laser Interferometer Space Antenna) 基线长达500万公里，由三个探测器组成一个等边三角形在地球公转轨道附近共同围绕太阳旋转。该计划最近一次宣布的发射日期是2020年。
差不多就在Joseph Weber 宣称探测的来自银河系中心的引力波信号之后不久，共振棒探测实验就广泛开展起来了，目前仍有Louisiana的ALLEGRO，Italy的AURIGA和NAUTILUS, 和Switzerland的EXPLORER （加上已退役的澳大利亚的NIOBE组成了International Gravitational Event Collaboration (IGEC)）活跃在实验前沿。此外，在荷兰和巴西也有相关科研机构开展利用球形金属体的共振来探测引力波的实验。在最著名的超新星1987a爆发时，唯一的引力波观测数据就来自于这些共振型探测器。尽管目前被认为灵敏度上的缺陷使其不充分具备探测的引力波的可能性，其造价低廉的特点还是使其继续着最原始的使命。
除了建造各种各样的新仪器，天文学家发现毫秒脉冲星这种目前人类已知最为守时的“工具”就可以成为一种天然的引力波探测器。其基本原理就是：当引力波通过地球附近时，脉冲星与地球之间的绝对距离将会发生微小变化，因此极为守时的脉冲星的射电脉冲到达地球上的望远镜的时间也会相应地发生变化。目前天文学家就是通过长期监测多颗毫秒脉冲星的到达时间（ToA，这种实验被称为Pulsar Timing Array），以达到直接探测引力波的目的。援引最新一期自然杂志的新闻 (NATURE, Vol 463. 147)，对脉冲星到达时间的监测很可能“抢先于”激光干涉仪成为首个直接探测到引力波的实验。尽管如此，这并不掩盖LIGO等实验的重要性，因为它们并不仅仅是为了探测到引力波信号，而是希望打开引力波天文学的窗口，真正成为一个“天文台”。况且，它们关注的引力波频段也不一样，Pulsar Timing 关注的是更低频率的引力波（极低频，10-9 ~ 10-7 Hz）。
