引力波是怎么形成的

引力波是怎么形成的

　　引力波是愛因斯坦在廣義相對(duì)論中提出的，即物體加速運(yùn)動(dòng)時(shí)給宇宙時(shí)空帶來的擾動(dòng)。以下就是學(xué)習(xí)啦小編給你做的整理，希望對(duì)你有用。

　　引力波的產(chǎn)生：

　　具有質(zhì)量的物體變動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生“引力波”

　　愛因斯坦用愛因斯坦場方程闡述了時(shí)間、空間與萬有引力的關(guān)系。由方程可知，“物質(zhì)和能量的分布發(fā)生變化時(shí)，時(shí)空結(jié)構(gòu)也將改變”。具有質(zhì)量的物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，物質(zhì)和能量的分布將發(fā)生變化，從而導(dǎo)致時(shí)空結(jié)構(gòu)的變化。

　　愛因斯坦認(rèn)為，時(shí)空結(jié)構(gòu)的變化將以“波”的形式傳播，這就是“引力波”。

　　引力波使得空間縱橫交錯(cuò)地收縮或擴(kuò)張

　　物體的質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)速度決定了引力波的大小。質(zhì)量越大的物體以越快的速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，形成的引力波越強(qiáng)。例如，兩個(gè)中子星共同組成雙星時(shí)的引力波就很強(qiáng)。

　　發(fā)出引力波的中子星聯(lián)星

　　中子星是幾乎完全由中子(構(gòu)成原子核的粒子)構(gòu)成的密度極高的天體。1立方厘米的質(zhì)量高達(dá)10億噸左右。當(dāng)兩個(gè)中子星圍繞著共同的引力中心運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，則組成雙星。

高密度、大質(zhì)量的中子星所組成的聯(lián)星公轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)連續(xù)不斷地引發(fā)時(shí)空彎曲，從而形成引力波，擴(kuò)散到四面八方。而且，該時(shí)空彎曲會(huì)隨著兩個(gè)中子星的公轉(zhuǎn)連續(xù)不斷地產(chǎn)生，并形成引力波，擴(kuò)散到周圍的時(shí)空中。

　　發(fā)出引力波的中子星聯(lián)星

　　由于無法描繪三維空間的彎曲，因此，圖解僅僅描繪了水平方向的引力波。

　　研究表明，引力波在時(shí)空中傳播時(shí)，空間將會(huì)縱向或橫向擴(kuò)張。如果能夠測(cè)量到空間縱橫交錯(cuò)地收縮或擴(kuò)張的話，就能觀測(cè)到引力波。

　　直接“捕獲”引力波相當(dāng)困難

　　直接“捕獲”引力波是非常困難的。這是因?yàn)?，引力波是自然界中最微弱、最不易察覺的波。雖然像中子星那樣質(zhì)量巨大的物體在做加速運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)輻射引力波，但是，在遙遠(yuǎn)的宇宙中所形成的引力波對(duì)地球周圍空間的影響卻極其微弱。引力波在通過像太陽與地球那樣距離遙遠(yuǎn)(1.5億公里)的兩個(gè)物體時(shí)，引起的空間變化(收縮或擴(kuò)張)只相當(dāng)于一個(gè)氫原子直徑(1.5×10-10米)的大小。

　　引力波的性質(zhì)：

　　引力波以波動(dòng)形式和有限速度傳播的引力場。按照廣義相對(duì)論，加速運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生引力波。

　　引力波的主要性質(zhì)是：它是橫波，在遠(yuǎn)源處為平面波;有兩個(gè)獨(dú)立的偏振態(tài);攜帶能量;在真空中以光速傳播等。引力波攜帶能量，應(yīng)可被探測(cè)到。但引力波的強(qiáng)度很弱，而且，物質(zhì)對(duì)引力波的吸收效率極低，直接探測(cè)引力波極為困難。曾有人宣稱在實(shí)驗(yàn)室里探測(cè)到了引力波，但未得到公認(rèn)。天文學(xué)家通過觀測(cè)雙星軌道參數(shù)的變化來間接驗(yàn)證引力波的存在。

　　例如，雙星體系公轉(zhuǎn)、中子星自轉(zhuǎn)、超新星爆發(fā)，及理論預(yù)言的黑洞的形成、碰撞和捕獲物質(zhì)等過程，都能輻射較強(qiáng)的引力波。我們所預(yù)期在地球上可觀測(cè)到的最強(qiáng)引力波會(huì)來自很遠(yuǎn)且古老的事件，在這事件中大量的能量發(fā)生劇烈移動(dòng)(例子包括兩顆中子星的對(duì)撞，或兩個(gè)極重的黑洞對(duì)撞)。這樣的波動(dòng)會(huì)造成地球上各處相對(duì)距離的變動(dòng)，但這些變動(dòng)的數(shù)量級(jí)應(yīng)該頂多只有10^-21。以LIGO引力波偵測(cè)器的雙臂而言，這樣的變化小于一顆質(zhì)子直徑的千分之一。

　　引力波的時(shí)空理論：

　　在歐洲引力波探測(cè)計(jì)劃中，科學(xué)家在德國漢諾威的GEO600引力波觀測(cè)站和意大利比薩的處女座(Virgo)引力波探測(cè)器處使用陸基引力波天線。德國漢諾威的GEO600引力波觀測(cè)站的干涉儀臂長達(dá)600米，是德英聯(lián)合項(xiàng)目;而處女座引力波探測(cè)器臂長更是達(dá)到3000米，是意大利、法國、波蘭、匈牙利四個(gè)國家聯(lián)合研究的項(xiàng)目。

　　根據(jù)相對(duì)論可知，高速運(yùn)動(dòng)的物體和宇宙中大質(zhì)量的天體碰撞都會(huì)產(chǎn)生極強(qiáng)的引力波， 當(dāng)這些引力波傳到地球上時(shí)會(huì)變得微乎其微，因此地球需要極高靈敏度的引力波觀測(cè)站來探測(cè)引力波。

　　科學(xué)家用激光干涉儀來探測(cè)引力波，這種儀器得機(jī)構(gòu)由兩條互相垂直的長臂組成，長臂的兩端掛有兩面高反射率的鏡子，激光打入到儀器長臂后，從而激光束在鏡子之間來回反射。而科學(xué)家對(duì)此進(jìn)行由于光程差引起的微小變化的檢測(cè)，這個(gè)微小變化僅僅有質(zhì)子直徑大小。

　　此外，對(duì)引力波的檢測(cè)需要極其高的技術(shù)條件：比如隔離真空、隔離振動(dòng)等。隔離振動(dòng)包括外部環(huán)境致使的振動(dòng)和內(nèi)部設(shè)備引起的振動(dòng)。

　　引力波監(jiān)測(cè)需要多個(gè)地面站同時(shí)工作，這些地面站的探測(cè)裝置都是相同的，這樣可以最大程度上來減小儀器測(cè)試產(chǎn)生的誤差;而在監(jiān)測(cè)過程中，必須同時(shí)接收同樣的信號(hào)，這樣可以避免受到地面信號(hào)源的干擾，從而保證引力波信號(hào)源的探測(cè)的精準(zhǔn)性。

　　德國馬克斯普朗克引力物理研究所、德國漢諾威萊布尼茲大學(xué)的哈特穆·特格羅特博士通過監(jiān)測(cè)比較認(rèn)為： GEO600引力波觀測(cè)站和Virgo引力波探測(cè)器在600HZ以上的中/高頻波段的靈敏度十分相似。這對(duì)科學(xué)家來說是一件非常有趣的事，科學(xué)家可以通過此波段尋找超新星爆炸所產(chǎn)生的引力波，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以節(jié)省時(shí)間和提高監(jiān)測(cè)效率。

　　伽馬射線是最強(qiáng)的引力波來源之一，而中子星或黑洞也都是引力波極佳的探測(cè)源。不過即使是中子星或黑洞碰撞所傳到地球的引力波信號(hào)也非常微弱，因而能監(jiān)測(cè)到的概率非常小。