推测宇宙大爆炸中产生最原始的引力波

推测宇宙大爆炸中产生最原始的引力波

宇宙大爆炸产生的超级引力波正回荡在宇宙空间中

  天文学家研究宇宙大爆炸产生的引力波时认为:在现实宇宙中,一个超大质量的天体并不会产生引力波,然而,一个相互运动的双星系统则就会产生引力能量的动态变化,这种变化就可能在地球上就能探测的到。引力波的一些属性和光类似,比如在真空中都是以光速进行传播,还有确定的频率和振幅。而其与光不同的地方是,引力波并不会发生散射现象或者被物质所吸收。

  正是由于这个不同的属性,科学家们推测宇宙中最原始的引力波产生于宇宙大爆炸,这个原始的引力波仍然在宇宙空间中“回荡”,有待于进一步的监测和分析。目前,天文学家已经间接地探测到引力波的存在。主要是通过观测一个由脉冲星构成的双星系统,其编号为PSR1913+16。科学家发现这颗脉冲星的轨道出现衰减,每相互旋转一圈衰减达到3毫米,而这种轨道的衰减,就是一种能量的损失,天文学家推测其能量的损失是由于引力波将双星系统中的能量给耗散出去了。

  而直接探测到引力波,基于目前的技术水平还是有些困难的,引力波抵达地球时已经是极为微弱了,所以需要灵敏度非常高的监测设别。目前,天文学家已经在美国路易斯安娜州和华盛顿州架设了引力波探测的干涉仪LIGO,其是目前世界上灵敏度最高的也是最大的引力波监测站,理论上可以探测来自宇宙深处的引力波信号,但是这种信号非常的微弱,而且还夹杂着地球上的干扰,因而这个最大引力波天线还需要进一步升级。

  来自遥远宇宙深处的引力波会在宇宙空间中进行“能量传递”。举个例子:当引力波接近地球,然后“撞击”地球,这个情景就像一个孤岛任凭海浪的拍打一样,地球就像宇宙中的孤岛,在引力波的冲击下“摇晃”。而科学家就是要监测这样摇晃所造成的几何形状的微小的变化。由于引力波类似波浪冲击的作用,可以使宇宙空间中的时空产生拉伸和收缩,这也是其能量传递的机制。

推测宇宙大爆炸中产生最原始的引力波

  与此同时,天文学家也认为引力波与宇宙间物质的相互作用的影响不大,且在真空中以光速进行传播。但是,引力波随着传播的距离的增大会出现能量损失,会出现衰减。这就类似水波的原理,当我们在池塘中投入一块石头,荡起的水波随着扩散面积的扩大出现衰减。引力波另一个特性是其随着传播距离的扩大,也可能出现频率上的下降,也就是其波长变长。这是由于宇宙空间的加速膨胀,在一定程度上作用着引力波的行为,进而使引力波出现属性上的变化,而这其中的机制还是个未解之谜。

  鉴于引力波的种种特殊的性质,目前科学家还不能一一进行解读,而对来自宇宙深处并经过地球的引力波,科学家试图进行更加精确的探测,这就需要极其灵敏的探测仪,而且还必须将引力波从宇宙背景等噪声中分离出来,这对检测和测量等具体工作来说是一个巨大的挑战。对于引力波探测LIGO干涉仪而言,来自地球的背景噪声同样是个棘手的问题,比如地震噪声、仪器噪声(温度变化影响探测设备的校准)和量子水平的噪声,而量子水平的噪声又称为约翰逊奈奎斯特噪声,即热噪声,其原因来自量子不确定性。

  目前,引力波研究和理论方面最有名望的科学家是基普索恩(Kip Thorne),其通过使用量子非破坏性测量的方法解决了引力波中可能是最后或者是最棘手的一个作用效应,这个方法主要体现在:在进行量子测量的时候,获得全部的信息就会导致完全脱散的情况出现,如果通过量子非破坏性测量,可以使脱散程度下降,或者说可以测量一个东西,却不破坏它,也就是不使其波函数坍缩。

  要将量子非破坏性测量应用到测量极其微弱的引力波上,还需要进行一些调整,因为引力波是一种小振幅且低频的信号,极不容易探测。而正是由于引力波是超低频的,所以其波长可以非常地长,我们知道无线电波波长一般在3米,可见光起于390纳米,而引力波的波长随着不同的宇宙事件会对应不同波长。比如,一颗超新星爆炸产生的引力波一般为300公里,由黑洞构成的双星系统产生的引力波为30万公里,而宇宙大爆炸产生引力波波长可达30亿光年。所以,对于引力波的探测,不仅要有极为灵敏的仪器,还需要理论上的支持,否则,对收集到的数据也很难进行分析。

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