在引力波天文臺之前,科學家如何間接證明引力波的存在

愛因斯坦的廣義相對論預言,宇宙空間中應該存在引力輻射和引力波。然而,由於引力輻射極其微弱,當時愛因斯坦認為我們不可能在實驗室發射出可供檢測的引力波,我們的探測器也不可能探測到宇宙中的引力波。因此,幾十年來,驗證引力波一直是科學家的難題。

1993年,泰勒和赫爾斯獲得了諾貝爾物理學獎,以表彰他們在1974年發現了前所未有的新型脈衝雙星。當時,他們都認為脈衝雙星PSR1913+16具有極其重要的意義,可以作為“引力波天空實驗室”。於是,他們便全力投入到引力波的驗證研究,堅持了20年。

在20世紀60年代,科學家已經發現了X射線雙星的存在。它是由一顆中子星與一顆恆星伴星組成,中子星會吸積伴星的物質,而後在表面附近轉化成X射線。而新發現的射電脈衝雙星一般是由兩顆中子星組成。如果它們的軌道週期較短且橢率較大,那麼這類中子雙星系統可以發出很強的引力輻射,而這會損失能量導致它們軌道週期進一步縮短。如果能測量脈衝雙星軌道運動週期的變短,就能間接證明引力波的存在。

在引力波天文臺之前,科學家如何間接證明引力波的存在

脈衝雙星PSR1913+16剛好符合這一特徵。它的軌道週期僅7。75個小時,軌道橢率達到了0。617,並且兩顆脈衝星之間並沒有物質交流。從觀測到的資料推算,脈衝星的軌道運動速度可達到光速的十分之一。因此,它們的引力效應非常強,從廣義相對論中計算,可得到引力輻射造成的週期縮短為每秒2。6×10^-12秒。

然而,要觀測到如此微小的變化,是非常困難的。困難主要體現在兩點:第一,對脈衝到達的時間的測量必須極端精密;第二,為了發現軌道週期的變化必須要進行長期的觀測。

為此,泰勒教授堅持了20年,利用當時世界上最大的單口徑射電望遠鏡阿博西雷進行了上千次觀測,使得精度進一步提高。最終,實驗的觀測值與使用廣義相對論計算的理論值僅相差0。4%。他們以實打實的觀測資料,間接證實了引力波的存在,獲得諾貝爾獎也是眾望所歸。

在引力波天文臺之前,科學家如何間接證明引力波的存在