引力波望遠鏡

引力波望遠鏡是用來反映是天體的整體信息建造的天文設備，而通常的電磁輻射只反映天體的表層信息，內部的東西幾乎是反映不出來的。

基本介紹

• 中文名：引力波望遠鏡
• 概述：我們都知道電磁波
• 正文：我們都知道電磁波，
• 如何理解：廣義相對論認為，物質的質

引力波

我們也知道，物體都有引力，會產生引力場。愛因斯坦在發表廣義相對論後不久，預言引力場具有波動性質的引力振盪，加速運動的質量（引力源）也輻射引力波。由於電磁波是由光子傳遞的，愛因斯坦假定引力波是由引力子傳遞的。

廣義相對論認為，物質的質量使時空彎曲，引力就是時空彎曲的量度。如果把宇宙時空比做一塊橡膠板，質量不同的天體會在橡膠板上壓出深淺不同的坑，即引力阱。天 體運動就是在自己的引力阱中滾動，這種滾動會引起橡膠板的輕微波動，而當超新星爆發和黑洞碰撞時，由於質量（即引力）的突然變化，相當於質量在橡膠板上大力彈跳，因而引起橡膠板劇烈地上下抖動。這種波動和抖動就是引力輻射，即引力波。

這么說來，地球繞太陽的公轉運動也會產生引力波。是的。不過它的能量很微小，只有千分之一瓦。因為引力是各種基本力中最弱的力。如在原子核中，核力是電磁力的100倍，而引力只有電磁力的1040分之一；相隔1厘米的兩個質子，其引力作用只有靜電力的1037分之一。因此，引力輻射非常微弱，一萬億千瓦的引力輻射，只相當於1千瓦的熱電絲。

但是，由於引力總是相加的，因而高緻密度的恆星如果以接近光速的速度運動時，可產生不可忽略的引力波。靠得很近的雙星脈衝星會發射很強的引力波。超新星爆發等劇烈活動，可在幾微秒之內產生很強的一次性的引力波，叫引力輻射爆發。旋轉黑洞是最豐富的引力輻射源，特別是當兩顆旋轉黑洞相撞時，會產生強烈的引力輻射。如質量各是10倍太陽質量的黑洞相撞，其引力輻射的強度是銀河系的電磁輻射強度的1000億倍。

為什麼引力輻射的強度當其小時非常弱，而當其大時又非常強呢？除了引力源的質量和運動速度因素外，其重要原因是，由加速質量產生的引力波，本身又是一個引力波輻射源，即引力波又產生引力波。

引力波確實存在嗎？人們試圖用實驗去檢驗。理論上，彈簧振子可產生引力波。所謂彈簧振子，是在一根彈簧兩端各連線一個有一定質量的物體。如果讓它振動起來，就會產生引力波。因此也叫“引力振子”。還有，一根繞其中心垂直軸旋轉的重棒，也會產生引力波。不過用上述方法產生的引力波的能量小得可憐。如重500噸、長20米的鋼棒，以5轉/秒的速度（這是它強度極限以內的最大旋轉速度）旋轉，所產生的引力波能只有10～29瓦。一個長10厘米的彈簧，兩端各重1千克物體組成的引力振子，以100次/秒、振幅1厘米的速度振盪，若將其全部引力波能轉變為電能，要點亮一隻50瓦的燈泡，則需要的振子數，比組成地球的全部基本粒子數還多。

由此可見，用上述人工實驗的方法是難以檢驗到引力波的。因為即使實驗產生了引力波，也還沒有如此精密的儀器能檢測到它所產生的微弱引力波。那么，要驗證引力波理論，就只好探測宇宙中巨大的天然引力波了。

引力波探測

雖然科學家們一直在努力探尋宇宙中的引力波，但是，直到20世紀70年代，都還沒有找到引力波存在的直接證據。於是，只得退而求其次，找間接證據。根據理論，相互繞轉的雙星脈衝星會發射引力波。如果是這樣，它們就會因發射引力波而損失能量，它們的軌道周期會因此而縮短。於是，科學家便選定觀測雙星脈衝星的軌道周期變化，來間接證實它們是否發射引力波。1974年，科學家們選定了天鷹座中距地球17000光年的一對雙星脈衝星進行觀測。在那以後的12年中，測得它們的軌道周期以每年76毫秒的速度在減小。這與根據愛因斯坦理論的計算結果精確地相符。

既然宇宙中存在引力波，那么，在地面上就應該能檢測從太空傳來的引力波。從理論上說，像電磁波引起天線振盪一樣，引力波也會使物體產生某種振盪，如使彈性物體產生輕微的波動，使剛性物體產生伸長和縮短的變形等。檢測到這些振盪，也就是檢測到了引力波。

如果在地面上檢測到了引力波，不僅證明宇宙中引力波的存在，而且可以知道每一個引力波源的方向和它的主要特性。因為物體波動或伸縮的方向就是引力波源的方向，物體中兩點之間的距離在引力波作用下發生的變動，反映引力波的振幅，而波的振幅是它的能量的量度。因此，引力波探測器也就成了引力波望遠鏡。

發展

美國在路易斯安那州和華盛頓州建造了兩台雷射干涉儀引力波觀測台，它們相距3000千米。每個觀測台上有一個L形真空管探測臂，長4千米，在管的兩端和轉彎處有反射鏡，讓雷射束在鏡面之間來回反射。雷射在彎處的鏡面上通過干涉產生明暗條紋光帶。如果有引力波通過，由於時空畸變，會使相互垂直的探測臂一個伸長、一個縮短，光帶因而發生變化。相隔3000千米設兩個觀測台，是為了排除地球上地震、雷暴和火車行駛、飛機飛行等各種干擾因素，因為這些因素不可能在兩地同時發生。這個觀測台2002年開始啟用，能探測到10～18米的長度變化。但迄今沒有探測到引力波。

美、歐科學家計畫在2012年發射太空飛行器，利用太空的廣闊距離對引力波進行探測。其方案是，將3對探測器送入太空，讓它們組成等邊三角形，相鄰兩對探測器之間的距離為500萬千米，它們在地球後面以20度的夾角一起繞太陽運行。3對探測器之間用雷射測量距離。如果有引力波傳來，它會擠壓時空，使3對探測器之間的距離發生微小的變化。靈敏的雷射可測出一個原子直徑大小的位移。由於它們所占的地域比地球上的探測器大得多，因而可能探測到更多的引力波源；靈敏度也更高，或許能探測到宇宙大爆炸時產生的原始引力波。

至今的各種望遠鏡，都是通過接收電磁波進行宇宙探測的，但是，在宇宙大爆炸後的頭100萬年中沒有電磁輻射；黑洞一般不發射電磁波；中子星、超新星核等緻密星體和 超密物質一般電磁輻射都較弱，通過電磁輻射所能揭示的信息很少。但它們卻是最強的引力輻射源。由此可見，引力波望遠鏡與傳統望遠鏡有很強的互補性；還有，引力波與電磁波不同，它可穿透任何物體，也不被任何物體所吸收，來自遙遠引力輻射源的引力波，不會損失任何所攜帶的信息。因此，引力波望遠鏡可以探測到許多原始信息。一句話，引力波望遠鏡為我們探測宇宙開設了一個嶄新的視窗。

利弊

某些極端天體現象，比如兩顆恆星級黑洞相互環繞並逐漸靠近，最終合併為一個大黑洞的過程，如果它們的附近極少氣體塵埃和其他星體，那么，我們就不可能從電磁輻射中探知這一過程，而這一過程也沒有中微子等其他輻射，探測這一過程的唯一辦法就是上述過程中輻射出的引力波。

缺點是引力波通常極弱，只有少數的極端天體現象中，涉及的質量極大，物質運動的加速度也極大，而且離我們也不太遠時，我們才能探測到引力波。這注定引力波望遠鏡在可預見的未來不會成為主流的常規的天文探測手段。