引力波及其探测ppt课件.ppt

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1、现代天文学 第十讲,第十讲 ： 引力波及引力波的探测,问题：,什么是引力？什么是引力波？,万有引力的本质,人们熟知的万有引力的本质是什么？牛顿认为是一种即时超距作用，不需要传递的“信使”。爱因斯坦则认为是一种跟电磁波一样的波动，称为引力波。,引力波的预言-牛顿的引力理论,牛顿认识到将苹果拉向地球的力很可能与使月亮围绕地球转的力是一样的。那么，所有物体之间一定存在一种吸引的力，并称之为引力。,所有物体都互相吸引。质量越大，引力越大，但随离开物体距离的增大而减小。这就是引力定理。,引力波的预言-牛顿的引力理论的贡献,牛顿的理论解决了许多他那个时期的难题，包括的潮汐产生原因，地球和月亮的运动，以及彗

2、星的轨道问题。 虽然牛顿的理论解释了什么是引力，但是，在随后的300年中，引力产生的原因仍然是个谜。,引力波的预言-牛顿的引力理论的缺陷,随着科学家们发展出更好的天文学工具，他们发现他们的观察结果跟牛顿理论预言的有些稍微的差别。比如说，牛顿理论对于水星运行轨道的预测与实际观察的结果稍微有些不同。如果太阳突然消失，将会发生什么事？ 该问题的解释不能令人满意。,根据牛顿的理论，整个宇宙都会立刻觉察到太阳的消失。这就意味着所有环绕太阳的行星都会沿切线方向飞离环绕轨道。,引力波的预言-牛顿的引力理论的缺陷,爱因斯坦的解释：,信息能瞬时通过宇宙传播的这个思想被称为超距作用。爱因斯坦和其他很多科学家都被超

3、距作用所困扰，因为它意味着信息可以传播得比光还快。 爱因斯坦在 1916 年终于解决了超距作用这个问题。他解释，重力不像牛顿说的那样是瞬时传播的，它的传播需要时间。 爱因斯坦以详细的理由说明离太阳越远的行星会越迟知道太阳消失了，所以较近的行星会先飞离轨道。,引力波的预言-爱因斯坦狭义相对论,日常经验让我们得到：物体之间的相对运动速度。,科学家们认为，因为地球是在围绕太阳运行，如果我们沿不同方向测量光的速度，将得到不同的结果。,1895 年，阿尔伯特迈克尔逊和爱德华莫雷进行了这个实验，并且出乎意料地未能发现光在不同方向的传播速度有任何的差异。,阿尔伯特爱因斯坦在 1905 年解释了这个现象，他认

4、为不同于车的速度，光的速度是恒定的，不会随观察者的移动而变化。,引力波的预言-爱因斯坦狭义相对论,换句话说，即使你跑得非常快，你也无法追上光。,爱因斯坦决心重新审查万有引力理论，他在自述这篇文章中，写下了这样一句话：“牛顿啊，请原谅我”,牛顿啊，请原谅我,狭义相对论的原理： 光速是恒定的，完全不依赖于观测者及光源的速度。 物理学的法则并不依赖于观测者的运动，除非观测者的速度有变化。 设想有两个人在观察一束光。对于静止站立的人，光速是每秒 30万公里；对于在以 18 万公里每秒时速飞行的太空船中的人来说，光速仍将是每秒 30 万公里。但是这又怎么可能呢？,引力波的预言-爱因斯坦狭义相对论,按照爱

5、因斯坦的理论，运动中的物体在比它静止时来得短。类似地，运动中的时钟跳得比静止的时钟更慢。爱因斯坦推断空间和时间可以精确得描述为一个整体 - 时空。,引力波的预言-爱因斯坦狭义相对论,修改引力定义在地球上自由下落的人就像太空中的宇航员一样感觉不到地心引力的作用。在恒定加速上升的火箭中，人将感受到和坐在地球上的人相同的引力作用。广义相对论的基本假定是地球上的物体感受到的地心引力和远离大质量物体、恒定加速的物体所感受到的力是完全相同的。 爱因斯坦认为引力并不是牛顿所想的那样。,引力波的预言-爱因斯坦广义相对论,他认为物体之所以会互相吸引是因为重的物体扭曲了时空，其它物体则选择了扭曲时空中的最短路径。

6、,引力波的预言-爱因斯坦广义相对论,爱因斯坦通过数学方法发现时空结构是弹性的，就像蹦床。,想像在蹦床中心放一个保龄球。球的重量将使蹦床中部下陷。而蹦床边缘的轻物体，比如网球，将沿着曲面移向保龄球 - 就像行星围绕着太阳运行。 蹦床的下陷描绘了大质量物体如何扭曲时空。网球的移动路径说明了物体在扭曲时空沿最短路径移动。牛顿认为地心引力是两个物体间的神秘作用力，而爱因斯坦认为它反映的是时空的扭曲 。,广义相对论的预言之一是光线经过大质量物体时会弯曲。大质量物体会扭曲它们周围的时空，以至任何物质，即便是光，在穿越时空时也将按弯曲的路线行进。 1919 年，阿瑟艾丁顿通过在日全食时测量太阳边缘处的星光对

7、这个预言进行了验证。他的结果完美地符合了爱因斯坦的预言。这也是对爱因斯坦理论的第一个实验上的证实，并使他在科学界和公众中迅速成名。,引力波的预言-爱因斯坦广义相对论,引力辐射,电荷被加速时会发出电磁辐射，同样有质量的物体被加速时就会发出引力辐射，这是广义相对论的一项重要预言。,广义相对论认为：引力是由空间时间几何（也就是，不仅考虑空间中的点之间，而是考虑在空间和时间中的点之间距离的几何）的畸变引起的，因而引力场影响时间和距离的测量。,广义相对论,广义相对论（General Relativity）是爱因斯坦于1915年以几何语言建立而成的引力理论，统合了狭义相对论和牛顿的万有引力定律，将引力改描

8、述成因时空中的物质与能量而弯曲的时空，以取代传统对于引力是一种力的看法。狭义相对论和万有引力定律，都只是广义相对论在特殊情况之下的特例。狭义相对论是在没有考虑重力时的情况；而万有引力定律则是在距离近、引力小和速度慢时的情况。,应用广义相对论回答刚开始提出的问题：如果太阳突然消失，将会发生什么？根据广义相对论，行星之所以环绕太阳是因为它们沿弯曲时空的最短路线行走。,引力波的预言-爱因斯坦广义相对论,如果太阳突然消失，它周围的时空会发生改变。依据爱因斯坦的理论，在水星附近的时空会比在冥王星附近的时空先发生改变，所以水星会先飞出轨道。这些时空的改变以引力波的形式传递,把引力波想象成投入池塘中的石头引

9、起的水波可能会帮助理解。当石头投入水面时，在石头周围的水就立刻被扰动，并且扰动会从那里传播到其他地方。,引力波的预言-爱因斯坦广义相对论,相似的，大质量物体的质量或者速度的突然改变会扰动周围的时空，然后这些扰动会用引力波的形式传播出去。,引力波的提出,m,爱因斯坦 引力场理论,引力波的探测,引力子的探测 引力波人工源,爱因斯坦在1916年提出了一个旋转棒的方案：用一根二十米长、五百吨重的钢棒，以非常快的速度绕棒的中心旋转，就能产生引力子来。,不过，要使这样的庞然大物飞速旋转，实在太困难了，即使旋转了，从目前的技术水平来讲，人们还是找不到引力子的，因为用这种方法产生的引力子是非常微弱的。,在实验

10、室条件下的一个 估算：,目前的实验精度无法测量！,宇宙天体是巨大的引力波源,一个电子作变速运动（或来回振动）辐射的电磁波是无法接收的，而一大群电子来回振动（振荡）辐射的电磁波则要强大得多，完全可以被接收到；同样，一个质点作变速运动（或来回振动）辐射的引力波也是难以接收的，一个含巨大质量的物体作变速运动（或来回振动）辐射的引力波就一定很强大，是可能被接收到的。做变速运动的巨大物体在宇宙中比比皆是，那就是星系和大质量天体。,天体引力波源,更大规模的质量重新分布将会产生更强的引力波，例如一颗恒星坍缩成一个黑洞，或者两颗恒星相撞，有可能产生我们可以检测到的引力波。,天体作为引力波的波源，大概有三类：爆

11、发源 周期性连续源宇宙本底辐射,理论研究表明: 只有由两颗中子星组成的双星体系才有可能检验引力辐射阻尼。 在已经发现的大约五百颗脉冲星中, PSR 1913+16 是最早的一个由两颗中子星组成的双星系统。轨道周期7.75小时椭率0.617,引力子的探测 引力波自然源,从1974年以后, 泰勒和他的合作者赫尔斯不断地分析积累多年的观测资料, 发现：双星相互旋转一周每十年减少4秒相当于每年相互靠近一厘米到2004年又发现了由一对高速旋状的中子星组成的双星系统-PSRJ0737-3039A/B轨道周期更短引力辐射更强周期2.4小时椭率0.088,引力子的探测 引力波自然源,根据相对论计算双星系统的轨

12、道运动会因为辐射引力波而使周期变短，轨道变小理论计算和观测结果误差不超过0.5%这是引力波存在的第一个间接定量证据， 是对爱因斯坦的广义相对论的一项重要验证。,引力子的探测 引力波自然源,引力子的探测 引力波自然源,1993年Nobel奖颁给两位美国科学家赫尔斯和泰勒，就是奖励他们观察致密双脉冲星PSR1913 +16 获得引力辐射的间接证据。目前引力波的直接检测已成为现代物理学重大课题中的当务之急。天体连续引力波源的特点：连续谱，频率较低，源比较确定。,周期性连续源,双星旋转、中子星自转；星体的旋转或自转，其各部分运动的轨迹必定是曲线，曲线运动也是一种变速运动。星体旋转或自转常常有自己的周期

13、，所以它们是周期性的引力波连续辐射源。,天体爆发引力波源：超新星爆发，天体引力坍塌，黑洞合并等。特点：随机性。,引力子的探测 引力波自然源,爆发源,超新星爆发，其上各部分必然急剧加速运动；星体坍缩，或黑洞俘获物质，也是一种剧烈的变速运动，它们均属于爆发性的，称为引力波爆发源。,黑洞（球对称）本身不辐射引力波，但黑洞在产生或两个黑洞合并（碰撞）的过程中将强烈地辐射引力波。,借助美国宇航局的“钱德拉”X射线望远镜，由德国、荷兰和美国等国天文学家组成的一个研究小组首次证实，两个巨型黑洞可以同时共存于一个星系之中。这一发现为研究黑洞和星系的形成等提供了重要线索。 天文学家们预测说，新发现的两个黑洞有可

14、能在未来几亿年中互相靠拢，最终合并为一个更为巨大的黑洞，并释放出极其强大的引力波。,宇宙本底辐射,来自太空的引力波背景辐射，它们千年不衰，万世不竭。源头何在？而在引力波天空中，始终响着嗡嗡的背景声，那是宇宙创生的回音，这才算得上是大爆炸的真正遗迹（与微波背景辐射相比）。,理论家认为，最早的引力波产生于创生后10-36秒，它在宇宙空间传播，既不被物质吸收也不被散射，故它携带着宇宙创生的真面目。,引力波的探测,科学家们为了寻找引力子和探测引力波，兵分两路：一路人马抓紧研究新的探测方法和提高探测仪器的灵敏度另一路人马开始寻找能产生引力子的大源泉。,引力波的探测,引力波探测的原理很简单，无外乎时空波动

15、让物体位形发生改变。 困难：引力辐射的微弱对于最激烈的天体活动，引力波对探测器的影响也很难超过背景噪声。引力波的两种偏振分量（+与）对环形质量分布的影响。,引力波的探测韦伯的尝试,1958年，马里兰大学的美国人韦伯第一次开始探测引力波，他用巨大的铝筒和棒形天线进行探测。,引力波的探测韦伯的尝试,韦伯探测装置共振质量探测器 原理：类似于电磁波引起接收天线的共振一样，引力波也使与其相遇的物体以一定的方式发生震荡。足够强的引力波作用在一个物体的圆形截面上，我们将看到截面的上下左右不断拉长或压缩，从而使物体的截面在圆形和椭圆形之间来回变化。探测设备是数个长2米、直径1米的实心铝棒，共振频率1660 H

16、z（与坍缩星的引力辐射峰频吻合），用细索悬在真空室中。,引力波的探测韦伯的尝试,如果入射波满足共振条件，形变可以被大大加强并超过背景噪声，棒上附属的压电晶体就会探测到位移，并将其转换为电信号，传达给外电路。为了保证足够的共振时间，同时也为了降低系统噪声，棒的阻尼要比较小。为了尽量排除干扰，韦伯的策略是，只有两个以上的金属棒同时收到超过背景噪声的信号时，才将其作为确切结果记下。他在距离马里兰上千公里的芝加哥设置了一个共振棒。,引力波的探测韦伯的尝试,1969年韦伯在Physical Review Letters杂志上发表了他的结果，宣称在81天内探测到了24例几乎同时穿过了马里兰州和芝加哥的探测

17、器的事件。这样的事件，并说通过计算，最合理的解释是引力波。次年Weber又公布了数百个事件，并认为它们是来自银心的。震惊了物理学界。,引力波的探测韦伯实验结果的困惑,没有其它任何一个小组能重复他的实验结果，其它类似的实验没有得到韦伯宣布的信号韦伯宣称接收到的是来自银河系中心的引力波，也就是说当时银河系中心应该发生十分激烈的天文事件，当时的天文观测资料未见任何异常韦伯探测到的“引力波”的能量太大，令人难以置信。,韦伯的实验至今已经被否定了，但他提出的探测方法和原理却是正确的。因为该探测器只对特定的，有大量背景噪音的引力波源敏感，其探测频带太窄。故而目前应用的不多。,引力波探测迈克尔逊干涉仪,19

18、56-1972年，Pirani, Weber和Weiss 等先后提出了用激光干涉仪探测引力波的设想。激光干涉引力波探测仪的主体是一台激光迈克尔逊干涉仪。在无引力波存在时，调整臂长使从互相垂直的两臂返回的两束相干光在分光镜处相干减弱，输出端的光电二极管接收的是暗纹，无输出信号。引力波的到来会使一个臂伸长另一臂缩短，使两束相干光有了光程差，破坏了相干减弱的初始条件，光电二极管有信号输出，该信号的大小与引力波的强度成正比。,激光在两臂交点经过分束后分别进入两臂。通过在光路中设置延迟线路或共振腔，光子可以在臂两端悬挂的高反射率反射镜之间往返多次，最后再回到交点，形成干涉图样并为光子探测器接收。,原理不

19、很复杂，而且初步探讨也始于1960年代。早期的干涉仪式探测器臂长相对很短，如1970年代麻省理工学院建造的5米干涉仪、1980年格拉斯哥大学建造的10米干涉仪、1983年马克斯普朗克研究所建造的30米干涉仪等，中国也于1980年代末在广州和北京分别建造了3米和0.5米干涉仪。,格拉斯哥大学的10米干涉仪,引力波的探测,1970-1980年代，美国加州理工学院和麻省理工学院开始研制激光干涉仪；1990年代中期，分别在华盛顿州的Hanford和路易斯安娜州的Livingston开始建造引力波探测站，并于2003年以来，相继建成臂长4km、2km的激光干涉仪引力波探测仪共两套。,期间，意大利与法国合

20、作建造臂长3000米的激光干涉引力波探测站Virgo, 德国与英国合作建造臂长600米的激光干涉引力波探测站GEO, 日本建造臂长300米的激光干涉仪引力波探测站TAMA。 激光干涉引力波探测仪的灵敏度比共振棒高出3-4个量级，可探测的引力波源是共振棒的109-1012倍！,美国的引力波激光干涉观察台-LIGO,项目开始于：1991年秋，共投资：3.6亿美元两套干涉仪：hanfordwashington livingtonlouisiana目的：同时工作：消除噪音；灵敏度：用于探测低频(10-4-10-1Hz)引力波，灵敏度10-21。它们能够从地球的震动以及电子噪音中分辨出来自宇宙的引力波。

21、自2003年收集数据，目前还没有任何发现,美国的引力波激光干涉观察台-LIGO,LIGO（Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory）美国建造的引力波激光干涉观察台LIGO，臂长 4km2（垂直）。,Hanford washington,美国的引力波激光干涉观察台-LIGO,Livington , luoisana臂长2km2,意大利VIRGO实验,意大利Cascina臂长3公里2,GEO600,德国，汉诺威；密闭60厘米*600米的真空管英德合作2002年开始运作,TAMA,located on Mitaka campus of N

22、AOJ.日本东京附近臂长300米,300m vacuum duct,Mirror suspension,日本的新项目：LCGT,LCGT ProjectLarge Scale Gravitational Wave Telescope,欧洲空间局的探测装置LISA,欧洲空间局和美国航天局正在进行一项雄心勃勃的计划，他们打算在2015年前后，建立一个1000倍地球大小的巨型探测系统。此系统称为激光干涉空间天线（LISA）。,该系统由3对飞船组成，每对飞船至另两对飞船的距离皆为500万千米。,他们将在地球后面以夹角60度一起绕太阳运行。它们相互间发出红外激光，形成一条500万千米长的干涉天线。,LISA code : The orbital kernel(3 Keplerian orbits),探测面积大，所受外界干扰少灵敏度高，更易捕捉低频引力波信号。,前些实验给出的探测结果不能令人满意，物理学家对此寄予厚望,问题与讨论,什么是引力波？爱因斯坦和牛顿对于引力的描述有什么不同？简述你对于引力波的理解和认识。,