引力波的产生及性质探究

2019-05-22何泊杉

产业与科技论坛 2019年7期

□何泊杉

一、黑洞

黑洞是一种由引力弯曲形成的天体，能够吸收宇宙中的一切物质(包括光)而不反射任何电磁波，所以寻找黑洞并不简单。但这并不代表没有办法，其一就是通过双黑洞的碰撞过程中产生的引力波来判断黑洞的位置，根据引力波的传输方向来判断合并后的新黑洞的位置，然后通过引力波的强度来判断碰撞前两个黑洞的质量以及相对运动的速度。当两个黑洞相互运动时，它们的引力场就会相互摩擦，从而互相产生引力干涉现象。这种现象使得黑洞引力场的引力变得极不稳定，从而使时间和空间也不能稳定存在，这种效果会随着两个黑洞的距离的靠近而增强，两个黑洞引力场的摩擦，使得引力波得以产生。

只要两个天体以一定的速度碰撞，就足以产生引力波，所以，对于单一的黑洞，也可以利用这种方法探测。只要那个黑洞正在吞噬恒星，它就一定会产生引力波，在探测单一黑洞时，需要利用由黑洞与其周边天体的引力干涉现象产生的引力波来探测黑洞的存在。由于黑洞只在两极产生的X喷流，所以在两级外的其他部位，不会有电磁波产生。即天体与黑洞碰撞产生的引力波里不含电磁波的成分。

爱因斯坦的狭义相对论中，有一个不可超越的速度—光速(c=2.99792458×108m/s)，所以能量关系式E=mc2就是物质所能达到的最大能量，p=mc是物质所能达到的最大动量。由第一段的分析，不难得出结论：引力波的强弱与两个碰撞单体的质量并没有太大的关系，而与其动量有直接关系。也就是说，只要两物体的质量一定，引力波的强弱取决于两物体的相对运动速度。当引力波达到最大值时，其满足关系式：m1v1+m2v2=(m1+m2)(v1+v2)=(m1+m2)c，也就是说，当两个物体体碰撞并且融合时，两物体瞬时速度之和将会达到光速，而这时引力波的强度也将达到最大值。根据对称性原理可知，当引力波过了那个最大值点后，强度逐渐开始减弱。假设现在有一个确定的时间度量，则可以观测到引力波的时间对成性，也就是说，引力波满足正态分布。

由于引力波具有时间对称性，所以若以引力波的峰值点为时间的零点则关于该点对称的时刻引力波的强度相等。但这并不代表空间的对称性，不过可以推测，如果形成的是史瓦西黑洞，则此黑洞成球形。根据球的空间对称性以及黑洞的均匀性，可以知道，黑洞向各个方向产生的引力都是相同的，再结合引力波的正态分布，便可知引力波也存在空间对称性。

二、中子星

即电场的旋转使得磁感应强度发生变化。但随着两颗子星的靠近，电磁—引力干涉现象也会增强，电场的旋转速度也会进一步加快，从而进一步增强两颗子星间的磁力，而磁力又会增强电场的旋转……这样一直下去。其能量的释放量达到了最大值，并满足关系式：m1m0v1+m2m0v2=(m1m0+m2m0)(v1+v2)=(m1m0+m2m0)c。

中子星表面的磁感应强度达到了10T，大约是地球的100万倍，所以在其磁场内，任何物质都将受到影响。假设一颗中子星正在被黑洞吸引，虽然黑洞能把中子星吞掉，然而这也可能导致黑洞被瓦解，因为中子星的磁场可能会改变黑洞的内部结构。

三、类星体

类星体在宇宙中是一种很神秘的天体，它外表像星系，但发射的光谱却不是一般星系的光谱。类星体的质量都很大，一般都在几亿倍太阳质量到十几亿倍太阳质量，目前已知最大的类星体达到了太阳质量的20亿倍以上，能解释这种想象的，只能是长期以来的物质积累，即类星体的质量会随着时间而发生改变。由与前两个天体不同，类星体的内部非常大，而且极不稳定，所以无法总结出内形体产生引力波的规律。而目前最广泛接受的一种观念是，类星体的中心存在一个超大质量的黑洞，其质量至少是太阳质量的1亿倍。这么大质量的黑洞只能是由多个黑洞合并而成。所以，类星体可能是由很多个星系经过碰撞形成的。而在碰撞过程中，各个星系中心的黑洞也发生了猛烈的撞击从而产生强大的引力波以改变空间中的任何物理现象，已导致其光谱发生改变。

如果两个类星体会相互公转，则它们会产生很大的向心力，并且发生碰撞，这将会是宇宙中最强的能量爆发，会爆发出电磁能、热能、光能以及引力能的复合能量。如果它们产生的和动量足够大，则会产生强大的引力波。在这里，第一段中所提出的公式也就不再使用了，因为它要考虑多种情况下产生的虚拟质量的作用。

如果要探测由类星体产生的引力波，就必须将引力波分离出来。由于引力会以光速传播，所以它会和光波同时传播。故只要探测到光波，就能探测到引力波。根据广义相对论光波会与引力波一起波动。