引力波探测器到底能测量什么?

发布网友发布时间：2022-09-11 06:07

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热心网友时间：2024-01-24 10:50

让我们深入了解时空和黑洞合并的复杂性。

引力波探测器实际记录了什么？起初似乎是一个荒谬的问题。LIGO和后续探测器在工程和科学发现方面都非常出色。

对于我们这些跳过高中物理的人来说，让我们从头开始认识：什么是引力波？

Swinburne 理工大学的天体物理学家 Adam Deller 说： “ 它们真的有点像时空结构中的涟漪。 ”

我们目前对重力如何工作的理解是基于爱因斯坦的《相对论》 —— 该理论早在 2015 年就已经诞生 100 年了。该理论是科学家目前描述质量、时空和重力之间关系的最佳方式。

根据爱因斯坦的理论，大质量物体导致时空弯曲，从而影响或大或小质量的物体如何吸引对方。

“ 人们经常将其总结为 ’ 质量告诉时空如何弯曲，弯曲时空告诉质量如何移动 ’ 。 ”

要将时空想象成一张橡胶板床，上面有一个巨大的物体 —— 比如一个沉重的球。球会压低板床，使其弯曲或扭曲。然后，如果你试图将另一个球滚过床板，它不会直线移动，而是沿着第一个球的质量创建的曲线移动。这就是重力。

引力波是时空和质量之间的这种关系的自然结果。

“ 如果你开始四处移动，那么弯曲的时空也开始四处移动，你会得到这种小晃动，即引力波。 ”

所有有质量和加速的东西都会产生引力波，但除非质量和加速度很大，否则产生的波太小，无法检测。

对物理学家来说，幸运的是，空间里充满了非常巨大的物体，这些物体确实经历了巨大的加速 —— 想想超新星或黑洞合并，即两个在双星系统中相互绕行运行的黑洞最终碰撞并合并形成一个黑洞。

“ 合并过程中的两个黑洞失去了大量作为引力波辐射的能量。 ”

事件地平线可以被认为是黑洞的 “ 边缘 ”—— 这是你需要以光速移动才能离开黑洞的引力范围。

在黑洞的中心，质量被塞进一个密度无限小的点 —— 但由于任何穿过事件视界的东西都无法逃离黑洞，我们有点不确定它是什么样子。

那么，从黑洞合并中检测到的引力波是来自事件视界相遇时，还是黑洞中心的质量合并时？事实证明，两者兼而有之。

“ 这个问题的答案是，它一直在发生。 ”

“ 当两个黑洞相互环绕时，有点像死亡螺旋，引力波一直在发射。 ”

Swinburne 理工大学教授兼 ARC 引力波发现卓越中心（ OzGrav ）主任 Matthew Bailes 解释说，当事件地平线接触时，引力波的大小会达到峰值，然后在被称为 “ 环落 ” 的过程中衰减。

引力波探测器是如何测量这种情况的发生呢？

检测到达地球的引力波的关键技术称为干涉测量 —— 这就是激光干涉仪重力波天文台（ LIGO ）等地方的起作用。

简而言之，激光束被劈成两半，沿着两个直角的长隧道照射。在隧道的尽头，光线从镜子上反射出来，反射回光的出处，在那里两半被重新组合。

引力波导致时空拉伸和压缩一点，略微移动镜子，导致一半激光束看起来稍微长一点，另一半看起来稍微短一点。如果没有引力波，激光器两半的路径将看起来相同。

因为引力波来自如此遥远的地方，到达地球时非常小，干涉仪必须建在真空中，这样就不会有其他干扰因子。

所以我们现在知道了，这就是引力波探测器正在记录的。