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引力波真的是波吗?科学家想这样验证

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2019-06-16 08:49 科技日报

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自几年前人类首次探测到引力波以来,公众所熟知的“波”里又多了一名重要成员。但引力波真的是波吗?

为了搞明白这件事,我国科学家与波兰西里西亚大学研究人员联合开展研究,设计出利用微引力透镜效应验证引力波波动性的观测策略,该研究于近日发表在美国《天体物理学杂志》上。

进一步验证引力波的波动性

历史上,光的本性被描述成波或粒子。这两种观点分别由不同的实验证实,因此在科学界内部存在激烈争论。最终,随着量子力学的建立,科学家接受了波粒二象性。

那么引力波是否也和光波具有同样的特征?

2015年以来,美国激光干涉引力波天文台(LIGO)和欧洲处女座引力波探测器(VIRGO)已多次探测到引力波事件。

“引力波和光一样,都由波动方程描述,也应该具有衍射、干涉等波动性。但引力波的波源是天体,这意味着科学家难以像测量光的波动性一样在实验室设计实验系统。”该研究第一作者、武汉理工大学理学院副教授廖恺说,设计验证引力波波动性观测策略的意义正在于此。

“目前已探测到的十几次双中子星并合事件已经验证了引力波波动性。然而,这样的验证是在同一个地点(地球)波形依赖的验证。”论文通讯作者、武汉大学物理科学与技术学院特聘研究员范锡龙说,历史上光的波动性是通过空间衍射和干涉条纹观测直接验证的,作为类比,他们希望引力波也能够探测到这样的效应来进一步验证其波动性。

微引力透镜效应派上用场

科研人员设计的观测策略利用了引力透镜效应,其原理是光或引力波在大质量天体附近会发生偏折,类似于几何光学的透镜效应。

“我们可以把透镜体例如恒星或暗物质看成衍射障碍物。”廖恺介绍,在引力透镜效应下,当波长相对透镜体很小时,引力波和光波一样由几何近似描述;当波长和透镜可以比拟时应该由波动近似描述;当波长很长时,障碍物完全不产生影响,引力直接穿过。

当透镜体质量为恒星量级时,光学望远镜不足以分辨两个像,科学家把这种现象称为微引力透镜。利用连续引力波波源、透镜体和地面引力波探测器也可以观测引力波微引力透镜效应。

范锡龙解释说,利用上述三者的相对运动来造成相对空间变化,在透镜系统位置构型、引力波频率和透镜体质量同时满足一定条件时,可以探测引力波的空间衍射或干涉条纹,从而验证引力波的波动性。

非球对称中子星是观测目标

该研究提出的具体方案是:快速自转的非球对称中子星可以持续辐射准单色引力波,伴随地球运动,地面引力波探测器可在几个月到几年期间探测到连续引力波衍射或干涉的空间条纹。

“源、透镜体和地球运动使得地球能够经历衍射屏上的不同点,但这个过程需要几个月。非球对称自转中子星可以产生长时间稳定的单色波,因此能够提供稳定的干涉、衍射条纹。干涉、衍射振幅变化时间尺度远大于地球自转对应的时间尺度,因此能够很好地区分。” 范锡龙解释说。

这项研究还详细探讨了这类事件的发生率。廖恺介绍,在银河系的核球中存在约10亿个中子星,同时球状星团中也存在几千个中子星。当中子星、透镜体和地球近似成一条线时就能发生引力透镜效应。在不同的银河系模型下,这样的概率大约有万分之一到百分之一。

“因此只要我们能够探测足够多的中子星,就有希望探测到其微引力透镜效应。”范锡龙告诉科技日报记者,在整个过程中存在一个不确定因素,即目前仍不清楚中子星椭率到底有多大。另外,非球对称自转中子星产生的单色引力波信号十分微弱,需要观测几个月时间并且要有优良的算法提取信号。

责任编辑:陶国琪(QT0003)

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