密近双星系统的引力波探测

杨子龙

摘 要：引力波是自然界中很微弱、很不易察觉的波，利用激光干涉仪引力波探测器捕获到密近双星系统产生的引力波信号，标志着引力波天文学完成了从引力波寻找到天文学研究这一个历史性的转折，这对于验证广义相对论和开启人类观测宇宙的全新窗口具有重大的意义。

关键词：引力波；激光干涉仪引力波探测器；密近双星系统

中图分类号：P132.6 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）03-0200-01

爱因斯坦在1916年提出广义相对论，预言了引力波的存在，但爱因斯坦本人认为引力波太弱而无法被探测。近100年后，激光干涉引力波天文台（LIGO）首次成功直接探测到了双黑洞合并的引力波信号， 为人类探测宇宙打开了一扇全新的窗口。

1 引力波的产生

爱因斯坦场方程阐述了时间、空间与万有引力的关系。由方程可知：任何有质量的物体之间都存在引力，当物体加速运动或物质体系的质量分布发生变化时都会对周围的时空产生影响，时空在伸展和压缩的过程中会产生振动，这些振动就是引力波。就像将一块石子投入水中所掀起的涟漪，人们形象地称之为“时空涟漪”。物体的质量和运动速度决定了引力波的大小。质量越大的物体以越快的速度运动时，形成的引力波越强。例如，两个中子星共同组成双星时的引力波就很强。

2 密近双星系统

密近双星系统是指由两颗恒星组成，相对于其他恒星来说，位置看起来非常靠近，而且存在物质从一颗子星流向另一颗子星，这样的双星称为密近双星系统。

相互旋绕的密近双星是宇宙空间中探测引力波的主要对象，在双星系统接近绕转的过程中，会不断向外辐射引力波，从而引起引力势能降低，轨道能量损失，使双星距离变小，相互绕转的频率变得更高，所辐射的引力波的振幅也越来越大，逐渐进入我们在地球上建立的探测器的测量范围之内，最后相互碰撞进而合并在一起。合并过程的引力辐射是剧烈的、爆发性的，这时的引力波携带大量与星体内部结构和质量有关的信息，为研究此类天体的内部结构和特性参数提供有用的数据。合并之后，引力波具有“余波”特点，幅度逐渐衰减直至消失，据此可以得出合并体的质量、自旋等信息。

3 引力波的探测方法

引力波是自然界中很微弱、很不易察觉的波，直接“捕获”引力波是困难的。像中子星那样质量巨大的物体在做加速运动时辐射产生的引力波在遥远的宇宙中对地球周围空间的影响极其微弱。引力波在通过像太阳与地球那样距离（1.5亿公里）的两个物体时，引起的空间变化（收缩或扩张）只相当于一个氢原子直径（1.5×10-10米）的大小。激光干涉仪引力波探测器的出现开辟了引力波探测的新时代。它的探测灵敏度高，探测频带宽，升级潜力大，给引力波探测带来新的希望。

如图1所示，激光干涉仪引力波探测器是一台“变异”的迈克尔孙干涉仪，由光学部分、机械部分和电子学部分等组成。从激光器发出的一束单色的频率稳定的激光，在分光镜上被分为强度相等的两束，一束经反射进入干涉仪的臂，另一束透过分光镜进入与其垂直的另一臂。经臂末端镜子反射，两束光折回并在分光镜上相遇，产生干涉。由于从分光镜反射的光有半波损失，两束光干涉减弱，这时无光线进入，探测器输出信号为零。当引力波到来时，由于它的极化特性，两个臂的长度做相反的变化，即一臂伸长时另一臂相应缩短，从而使两束相干光有了光程差，破坏了相干减弱的初始条件，有光线进入光探测器，光探测器有信号输出，该信号的大小与光程差（即引力波强度）有关。

激光干涉引力波天文台（LIGO）是借助于激光干涉仪来聆听来自宇宙深处引力波的大型研究仪器。由两个干涉仪组成，每一个都带有两个4千米长的臂并组成L型，每个臂由直径为1.2米的真空钢管组成。在光学方面，它用到高功率的连续稳定激光，加工极为精细的低吸收镜子以及FP腔和功率循环腔。在机械方面，它用到被动阻尼和主动阻尼的隔震技术以及真空技术。图2位于美国路易斯安那州利文斯顿附近的臂长4km的激光干涉仪引力波探测器LIGO（llo）。

4 引力波探测的意义

引力波探测具有重大的意义。首先引力波探测将直接验证广义相对论的一大预言，提供强场中引力理论的最好检验；其次，引力波信号所蕴含的天体物理信息很多将无法由传统天文学手段获得，这意味着引力波探测将开启人类观测宇宙的一个全新的窗口，例如：引力波使我们可以直接“窥探”黑洞的形成、双黑洞系统的并合或者蕴藏有超大质量黑洞的星系核中心，测量中子星的内部结构和物态，了解超新星爆炸的内部过程，揭开伽玛射线暴的前身系统之谜等；最后，引力波的探测有助于真正理解宇宙大爆炸原初時刻的物理过程，引力波以光速传播并能够穿透电磁波无法穿透的空间，它与物质的相互作用非常弱，所以利用引力波，可以探究138亿年前创生宇宙的“大爆炸”，看到宇宙大爆炸之后的10-35方秒的时间里开始的宇宙形成过程。所以引力波是了解宇宙形成的最好工具，有助于人类了解宇宙的起源和运行机制。

探测到引力波需要设备灵敏度在10-21以上，目前第一代激光干涉仪引力波探测器的灵敏度是10-22，在发现引力波的巨大鼓舞下，以爱因斯坦望远镜为代表的第三代激光干涉仪引力波探测器正在加紧研发，在第二代的基础上灵敏度又提高一个数量级，直指10-24。以第三代引力波探器为基础的引力波天文台的建立，必将迎来一门全新的学科——引力波天文学的蓬勃发展。

参考文献

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