引力波的应用 引力波在未来会有哪些方面的应用价值?

2018-10-09 - 引力波

在可预见的未来,引力波应用仍然是天文观测。由于引力波的产生需要很极端的条件,人类活动无法产生任何(能够被观测到的)引力波。

引力波天文学是继电磁波,中微子之后的一扇全新的窗户,也是天文观测的最后一块空白。引力波的特点使它可以提供其它手段无法获得的信息。引力波是机械运动产生的波,它反映的是质量分布的变化;由于万有引力是所有相互作用最弱的,这一方面导致引力波极端难以产生和探测,另一方面也赋予了它最强的穿透力,甚至强过中微子。这些特点使它可以用于以下场合:

引力波的应用 引力波在未来会有哪些方面的应用价值?
引力波的应用 引力波在未来会有哪些方面的应用价值?

黑洞合并 黑洞合并是重要的天文现象,也是公认的最强的引力波源,特别是星系合并带来的核心巨型黑洞的合并。理想状态下黑洞只是一个强引力源,因此黑洞的合并只会辐射引力波。实际中由于黑洞会吸积星际物质产生电磁辐射,我们可以通过电磁波(主要是X射线)间接观测黑洞合并的事件,但这种手段提供的信息很有限(只能告诉我们有两个黑洞合并了,不能告诉我们它们怎么合并)。

引力波的应用 引力波在未来会有哪些方面的应用价值?
引力波的应用 引力波在未来会有哪些方面的应用价值?

这几年随着计算相对论(Numerical Relativity)的发展,人类对黑洞合并可以进行比较准确的模拟,并预言了一些现象,比如引力辐射的能量,黑洞角动量的进动,以及Black hole recoil(不会翻译,大概是两个黑洞合并通过辐射引力波获得极高的反冲速度,达到每秒5000千米)。如果能对引力波的波形进行分析,我们可以验证这些预测,进而验证广义相对论,同时还能对星系的演化有更深的认识。

超新星爆炸 超新星爆炸也是引力波理论上的重要来源。尽管超新星可以很容易通过电磁波,中微子观测到,引力波可以提供一些独特的细节。由于引力波只反映了质量分布的变化,我们可以获得超新星物质运动的宏观信息。引力波可以轻易的穿透恒星的外层物质,几乎不发生衰减和畸变,我们可以了解超新星内部的情况。这些对天体物理,恒星演化有着极其重要的意义。

中子星—中子星/黑洞碰撞 中子星—中子星和中子星—黑洞的碰撞目前还没有被天文观测所证实,尽管理论认为它们是短伽马射线暴的来源。如果我们能在短伽马射线暴的同时探测到相关的引力波信号,这将会证实中子星与伽马射线暴的关系,同时大大推进相关领域的认识。

由于强相互作用的复杂性,人们对中子星的内部构造仍然缺乏认识。目前仍然缺乏好的中子简并态物质的状态方程(Equation of state,描述物质温度,压强与密度的关系式,如理想气体状态方程),如果能分析中子星与中子星或黑洞碰撞的引力波的波形,我们可以更好的修正状态方程,从而促进量子色动力学(描述强相互作用的理论)的发展。

此外不少理论认为中子星的碰撞是宇宙中重元素(如金,铀)的主要来源,对中子星碰撞的深入了解可以促进元素合成理论的发展。

宇宙大爆炸早期,暴涨过程 目前人类对宇宙早期的认识主要来自宇宙微波背景辐射(CMB)。然而早期的宇宙是高密度的等离子汤,对电磁波不透明,因此CMB只能反映宇宙诞生38万年之后的事。然而,由于引力波有极强的穿透性,可以畅通无阻的穿过早期的等离子汤,因而可以记录宇宙大爆炸早期的事件,如暴涨。

科学家相信存在这样的“引力波背景辐射”,即原初引力波(primordial gravitational wave)。

值得一提的是,2014年闹得沸沸扬扬的BICEP II就是关于原初引力波的。尽管该实验最后被否定了,但精度更高的BICEP III已经上线。如果能发现原初引力波,可以极大的促进宇宙学,量子引力等理论的发展。

需要说明的是,由于大部分引力波源产生的引力波的波长很长,而且受制于观测手段,引力波观测只能分析波形,而不能进行成像。也就是只能“听”不能“看”。我不知道未来能不能对引力波进行成像。 -------------------------------------------------------------------------------- 太激动了!

今天23:30,LIGO团队宣布发现引力波的证据,文章发表在PRL上!历时100年的追寻终于有了结果,人类从此进入引力波天文学的时代!

祝贺LIGO团队!也感谢一直以来为寻找引力波辛勤付出的研究者们!荣誉属于你们!

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