引力波_引力波源和引力波探测实验

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1、云南天文台台刊PublicationsofYunnanObservatory2002年第3期2002No13Ξ引力波、引力波源和引力波探测实验唐孟希1,李芳昱2,赵鹏飞3,唐敏然4(1.中山大学物理系,广州510275;2.重庆大学应用物理系,重庆400044;3.湛江师范学院物理系,湛江510089;4.中山大学中山医学院基础部,广州524048)摘要:引力波是爱因斯坦和其他物理学家提出的关于广义相对论的四大预言之一。除了PSR1913+16引力辐射阻尼的观测提供了引力波存在的间接证据外,科学家至今仍没有在实验室中确证引力波的存在。由于人类目前的技术水平

2、还不可能在实验室中产生强度可供探测的引力波,而宇宙中存在大量大质量、高速运动的天体,有可能产生较强的引力波,天体引力波源自然成为现阶段科学家研究引力波的首选。本文介绍广义相对论框架下预言的引力波性质,引力波探测的理论依据,共振型棒式天线和激光干涉仪两大类探测器的基本原理,引力波探测实验的现状和面临的困难,科学家采取的对策,以及爆发型和连续型两类天体引力波源。最后介绍了正在计划中的几个引力波探测空间实验。关键词:广义相对论;引力波;引力波源;空间实验中图分类号:O412,P142.84文献标识码:A文章编号:1001-7526(2002)03-0071-17

3、1广义相对论和引力波牛顿的引力理论统治了物理学界200多年。根据牛顿的引力理论,由两个质点组成,作周期运动的动力学系统,运动轨迹是一个封闭的椭圆,太阳系的行星轨道就属于这种情况。当考虑到太阳的质量四极矩和受到其他天体的摄动时,行星绕太阳运动的轨道不再封闭,椭圆轨道的近日点会以一定的角速度进动。离太阳越近的行星轨道,进动角速度越大。1859年Leverrier首先发现,水星轨道近日点的进动,在扣除以上因素外,还有每百年38s的剩余进动无法在牛顿力学的框架内给出解释。Newcomb进行了精度较高的观测后得出,这个剩余的进动为每百年43s。1916年爱因斯坦在他

4、早期发表的广义相对论的论文中就给出了行星近日点进动的广义相对论的计算值1,这个值与Leverrier和Newcomb的观测值相符合。这是广义相对论第一个成功的例证。根据广义相对论,爱因斯坦和其他的物理学家先后提出了4个预言,即光线在引力场中的偏折,光谱线在引力场中的红移,引力辐射存在和黑洞存在。这4个预言中的前2个在随后不久便得到了Ξ基金项目:国家自然科学基金(10175096)资助项目.收稿日期:2001-12-27作者简介:唐孟希,男,教授,研究方向:引力理论和引力实验.验证,而后2个预言的验证工作在很长时间得不到进展。由于引力相互作用的微弱性和不可屏

5、蔽性,给引力实验带来了巨大的技术困难。直到60年代初期,对广义相对论的实验检验仍然停留在以上的三大检验上。而科学上有这种情况,实验科学家能提供的实验和观测数据越少,进度越低,理论科学家能创造的理论也就越多。尽管60年代以后,实验和观测精度有了很大的提高,有一些理论被淘汰,但还有不少与爱因斯坦广义相对论平行的理论通过了现有的所有实验检验,如Brans-Dicke的标量—张量理论2,Will-Nordtvedt的矢量—张量理论3,Lightman-Lee的双度规理论4等。要进一步认识引力相互作用的规律,区别这些名目繁多的引力理论的真伪,可以有以下两种途径。一是

6、把这些理论中的度规在Minkowski度规的邻域中按物质变量展开成幂级数,构成所谓参量化的后牛顿体系(ParametrizedPost-NewtonianFormalism),即PPN形式体系5。不同的引力理论对应不同的展开系数,再把这些系数和观测实验结果比较,这种方法就称为后牛顿检验或称PPN检验。检验引力理论正确性的另外一个途径就是利用不同的引力理论中关于引力辐射的预言的不同。现行的引力理论都属于度规理论,几乎所有的度规理论都预言了引力辐射的存在。但在不同的度规理论中,引力辐射的性质表现出极大的差别,如引力辐射的偏振态数,多极辐射特性,引力辐射的传播速

7、度等等。引力辐射是时空度规畸变的传播。按照广义相对论,一个物质系统产生的引力辐射的总能量与该系统质量四极矩对时间的三阶导数的平方成正比。显然,质量四极矩的变化速度越大,引力辐射的强度就越强。今天人类的技术水平尚未能在实验室中产生强度可供探测的引力辐射,因此,大质量、高速运动的天体就成为首选的引力辐射源。超新星爆发、致密星和黑洞的形成会发出脉冲引力辐射,非轴对称旋转的致密天体、双星系统会发出连续的引力辐射。60年代中期,Weber开始在美国Maryland大学的实验室内建成了世界上第一个引力辐射探测器。它的主体是重1.4t的铝棒。在引力辐射的作用下,铝棒将发

8、生与时空度规畸变量级相同的应变,固定在铝棒上的压电陶瓷传感器记录下