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看清引力波的“旋转” 需要更灵敏的“眼睛”

来源:科技日报2019-10-15 09:01

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  2015年,科学家利用激光干涉仪首次直接探测到引力波。自那以后,已经有越来越多的引力波事件被探测到。

  但是,人类对引力波的理解可能才刚刚开始。引力波所具备的很多特征都有待人们的挖掘。

  近日,武汉大学物理科学与技术学院侯绍齐博士、范锡龙教授和朱宗宏教授在《物理评论D》上共同发表了一篇关于引力波的论文。他们研究认为,引力波的透镜效应会引起引力波偏振面的转动和法拉第旋转。而且,原则上这些效应可以被激光干涉仪探测到。

  引力波会旋转?这是怎么回事呢?

  引力波就“在”你手上

  “引力波和光有着诸多相似性。”论文第一作者侯绍齐介绍,在真空中,引力波和光都以每秒30万公里的速度传播,它们都没有质量;光波是带有时空周期性的电磁场,而引力波则是时空周期性分布的引力场;光波是一种横波,引力波也是一种横波。

  1915年,爱因斯坦提出了广义相对论,并预言光线在星体附近会发生偏折,即引力透镜效应。这一现象于1919年被其他科学家探测到,成为支持广义相对论的有力证据。

  “由于引力波和光都是波,他们应该具有相似性,我们可以根据广义相对论推测,大质量天体附近的光线偏折现象,也会发生在引力波上。”范锡龙说。

  此次研究预测,引力波在大质量星体附近不仅仅会发生传播方向的改变,随之而来的还有偏振面的转动和法拉第旋转效应。

  为了让大家更好地理解引力波偏振面的转动和法拉第旋转,范锡龙教授想出一个简单的方法——用我们的手指来帮忙。

  伸出你的右手,让右手的拇指、食指、中指这三个手指相互垂直。用中指的指向代表引力波的传播方向,那么拇指和食指所在平面就代表所谓的引力波偏振面,也就是引力波在这个面内的振动。

  然后,可以尝试改变中指的指向,同时依然保持三个手指的相互垂直关系。这时候你便会发现,随着中指指向的改变,拇指和食指所在的平面也跟着改变。如果引力波也发生类似的变化,就把它称之为引力波偏振面的转动。

  法拉第旋转则是另一种效应。为了形象地理解法拉第旋转效应,三个手指依然可以派上用场。

  这一次,你需要保持中指的指向,而改变拇指和食指的指向。在这种情况下,虽然拇指和食指的指向发生了变化,它们仍然在原来的平面内转动。类似的现象如果发生在引力波上,我们就把它叫作引力波法拉第旋转效应。

  微小变化有待未来“捕捉”

  “原则上,这两种效应都可以被激光干涉仪探测到。不过,并非现在。” 侯绍齐说。

  侯绍齐介绍,激光干涉仪对引力波的测量数据与引力波相对于干涉仪的传播方向有关,也跟是否发生法拉第旋转有关。当引力波经过大质量星体之后,其偏振面发生转动并伴有法拉第旋转效应。这些变化导致激光干涉仪得到的数据随之变化,从而可以利用干涉仪探测这两种效应是否发生。

  但是,由于在引力波透镜效应中,引力波的传播方向仅发生了非常微小的变化,所以其偏振面转动而引起的激光干涉仪的响应微乎其微,目前还无法测量得到。相比之下,法拉第旋转效应更加微弱,现有条件下也很难测量得到。

  “当然,这并不意味着,以后也无法探测到。” 范锡龙告诉科技日报记者,在今后10年到20年内,世界范围内会建立多个基于地面的引力波探测器,太空中可能也会出现多个空间引力波探测器。这些探测器的灵敏度更高,从而有可能在未来探测到引力波的偏振面转动和法拉第旋转效应。

  那么,探测到引力波偏振面的转动和法拉第旋转效应,对于引力波研究而言又有何意义?

  范锡龙回答说,对引力波偏振面可以发生转动的预测,主要基于爱因斯坦的广义相对论预言,因此探测到引力波偏振面的转动可以更加全面地检验广义相对论,是对引力波性质的全方位的认识。

  另外,探测到引力波的法拉第旋转效应,可以使我们了解引力波物理的丰富性,加深对时空本质的理解,并预示引力波可能还有更多奇特的性质尚未发现。(刘园园)

[ 责编:赵清建 ]
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