在引力波天文台之前,科学家如何间接证明引力波的存在

2021-11-25 16:53:02 文章来源:网络
爱因斯坦的广义相对论预言太空中应该有引力辐射和引力波。然而,由于极弱的引力辐射,爱因斯坦认为我们不可能在实验室发射可探测的引力波,我们的探测器也无法探测到宇宙中的引力波。因此,几十年来,验证引力波一直是科学家们的难题。1993年,泰勒和赫尔因在1974年发现了一颗前所未有的新脉冲星而获得诺贝尔物理学奖。当时他们都认为脉冲星psr1913+16意义重大,可以作为“引力波天空实验室”。因此他们20年来一直致力于验证引力波。在20世纪60年代,科学家们发现了X射线双星的存在。它由一颗中子星和一颗伴星组成。中子星将吸收伴星的物质,然后在表面附近将其转化为X射线。新发现的射电脉冲星通常由两颗中子星组成。如果它们的轨道周期短,椭圆度大,这样的中子双星系统会发射出强烈的引力辐射,
从而损失能量,进一步缩短轨道周期。如果我们能够测量脉冲星轨道运动周期的缩短,我们就可以间接证明引力波的存在,脉冲星psr1913+16正好符合这一特征。它的轨道周期只有7.75小时,轨道椭圆度达到0.617,两颗脉冲星之间没有物质交换。根据观测数据,脉冲星的轨道速度可以达到光速的十分之一。因此,它们的引力效应非常强。从广义相对论的计算中可以看出,引力辐射引起的周期缩短为每秒2.6×10^-12秒,但很难观察到如此微小的变化。难点主要体现在两点:第一,脉冲到达时间的测量必须非常精确;其次,为了发现轨道周期的变化,必须进行长期观测。为此,泰勒教授坚持了20年,用当时世界上最大的单孔径射电望远镜进行了数千次观测。最后,实验的观测值与广义相对论计算的理论值仅相差0.4%。他们用实际观测数据间接证实了引力波的存在,并获得了诺贝尔奖。
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