引力波研究

在引力几何化的过程中，爱因斯坦很重视引力场与电磁场的相似性。1912 年 7 月，在他写给埃伦菲斯特的一封信中说，他注意到他关于静引力场的讨论对应着电磁理论中的静电场情况，而他所称的“广义静止情况” 却与静磁场相似。他的“转动圆盘”将产生一种静止的引力的“磁场”， 既然电磁波是一种由电场与磁场相互作用的运动形态，引力的“电”与“磁” 分量就有可能对应着引力波的存在。

早在 1916 年，即建立了广义协变的引力场方程不久，爱因斯坦就得到了引力场方程的线性近似引力波波动方程解①。1922 年，爱丁顿强调指出，这些解从理论上预言了引力波的存在①。对于物理理论工作者来说， 问题在于如何从实验上探测到引力波以证实它的存在，并如何从实验上确定它的性质，如传播速度与偏振特性等。1918 年，爱因斯坦首先证明②， 仅仅处于加速状态的质量体系，并不能像电磁偶极子辐射电磁波那样，辐射引力波，这是因为质量总是正的，并且一切物体的引力质量与惯性质量总是精确地保持一致的结果。然而，如果一根质量为 M、长度为 2l 的质密棒，沿垂直于棒的中心轴高速旋转，并且具有时变的四极矩时，将会有引力辐射产生。首先设法在实验室条件下，对引力波进行探测的是韦伯③。1970 年，他宣布实验探到发自银心的引力波④，虽然这一结果被其后类似

的其它实验观测否定，但是韦伯的开拓性工作仍具有很重要的意义。从 60

到 70 年代，天文学以及天体物理学的进展表明，某些天体有可能辐射强大功率的引力波。1974 年，通过阿雷西波天文台直径 305 米的巨型射电天文望远镜，泰勒 (Taylor ， JosephHooten Jr.) 和他的研究生赫尔斯(HulseRussellAlen)共同发现了第一颗脉冲双星 PSR1913+16⑤。这颗脉冲双星似乎是专门为验证广义相对论而提供的太空实验室。首先，引人注目的是这颗星发出的脉冲频率。它的频率为 16.940539184253(1)Hz，只有最后带括号的一位数字才是不准确的。它的频率随时间的变化又极为缓慢， 变化率稳定在-2.47583(1)×10-15Hz/s。如果把它视为一台时钟，其精确程度可以与石英钟相媲美。描述脉冲星的轨道运动有五个主要参量，其中一个参量是描述主轴的取向，它类似于太阳系行星的近日点，称为近星点。与水星做对比，它的近星点进动率要比水星近日点进动率高 3 万倍以上， 这就为高精度地验证广义相对论提供了方便。泰勒测量到的脉冲星近星点进动率为 4.2262（1）°/年，与广义相对论符合得极好。他们还根据年进动率、轨道延迟时间和引力红移等数据综合分析，得出这颗脉冲星的质量为 1.4410（5）M⊙，其伴星则为 1.3874（5）M⊙。

在此之前，对广义相对论的验证都是在太阳系内获得的，由于太阳的

引力很弱，使以前对引力理论的验证（如水星近日点进动、光线的引力弯曲以及信号延迟等）仅限于验证引力理论在弱引力近似情况下与牛顿引力的微小偏移，因而难以提高对引力理论的判断与限制，更不能在弱引力情况下，对引力波的预言做出检验。根据广义相对论，双星系统是一种旋转着的质量四极子，它应能以引力波方式辐射能量。与所有束缚在一起的二体引力系统一样，其运行轨道周期将随着能量的辐射而减小。在发现脉冲双星 PSR1913+16 以后，泰勒及其后来的合作者威斯伯(Weisberg,J.M.)、曼彻斯特(Manchester,R.N.)等人坚持长时间的跟踪观测，对脉冲星扫过的总轨道角及它们随时间如何偏离的线性关系积累了大量的观测数据。此外，为尽可能准确地判断脉冲周期，还需扣除星际介质色散和地球自身运动的影响，再将脉冲到达时间转换到脉冲星参考系。在这一转换中，除要考虑脉冲星及其伴星相互绕行的轨道运动外，还应考虑脉冲星自转及各种相对论效应。排除了上述各因素的干扰之后，他们得到的该双星系统轨道周期随时间的变化率是

dPb dt

= -（2.4101±0.0085）×10-12 ，

与按广义相对论理论预计值 dpb/dt=-（2.4025±0.0001）×10-12 极为接近①②。脉冲双星的发现以及通过对其周期长时间的观测结果，不仅使爱因斯坦的引力理论再一次地获得了高精度地检验，而且进一步证实了引力波的存在，这一重大成果提供了一个基础理论研究与现代高科、技术结合以及各基础研究领域彼此相互渗透的典范。

泰勒 1941 年生于美国费城，1963 年毕业于宾夕法尼亚州哈弗福德学院，1968 年在哈佛大学天文学系获得博士学位。1968～1969 年，在哈佛大学天文台任天文学讲师并从事研究工作。1969～1976 年，在马萨诸塞大学任天文学副教授，1976～1981 任教授，1981 年以后在普林斯顿大学担任物理学教授。研究领域是射电天文学、设计和发展射电天文望远镜与信息处理系统，对脉冲星研究造诣尤深。赫尔斯 1972 年毕业于马萨诸塞大学，1975年在泰勒指导下，获得博士学位，此间这对师生所研究的课题使他们获得1993 年诺贝尔物理学奖。1975～1977 年，赫尔斯在美国射电天文台从事研究工作，1977 年转入普林斯顿大学，在该校等离子体物理实验室进行研究工作，主要的研究领域是，托卡马克受控热核聚变等离子体中的粒子迁移及原子过程的计算机模拟研究。

虽然赫尔斯较早地离开了脉冲星及射电天文研究，泰勒及他以后的合作者们却对脉冲星进行连续观测长达 18 年之久。他们为引力辐射研究积累了大量的技术数据。已记录的脉冲星 PSR1913+16 的站心时间就有 4500 个， 其轨道周期的衰减速率的测量精度达到了 0.35%，这些数据可以决定五个开普勒轨道参量和一个后开普勒参量，其精度达到了百万分之几，可以从几个不同的方面“对广义相对论作出有说服力的验证，特别检验了‘电四极矩’导致引力辐射，引力波必须以光速传播”①②。为了观测脉冲星周期这样一个随时间二次方偏离的效应，长时间的连续观测是必不可少的。在现今社会中，有一种只看重短期效益、崇尚所谓短线科研的趋向。泰勒和他的几个学生、博士后及其它合作者们，潜心专注于大科技领域中的小课题研究，在阿雷西波研究所使用最普通的仪器设备，耐心地进行令人感到乏味的观测研究长达近 20 年之久的上千次观测，这种精神境界以及所取

得的辉煌成果都为世人提供了出色的范例。近几十年的研究发现，宇宙间大致有三种类型的引力波，除了发自脉冲双星的这种频率稳定而持续的引力辐射外，还有引力波背景辐射，它们是宇宙发展各阶段，特别是早期宇宙各个物理过程残留引力辐射的叠加波，它们与其它背景“噪音”混杂， 难以区分与观测；第三种是脉冲式或扰动式的引力波，它们由超新星爆发、致密天体塌缩、活动星系核中的剧烈扰动、星震等形成。这种引力辐射的强度虽然较大，但持续时间极短，频带也比较宽，给观测带来较大困难。比较起来，双星的引力辐射既稳定又能持续，频率还确定。如果两颗子星的质量足够大，相距又比较近，它们互相绕行的速度与加速度都比较大， 由于引力辐射损失能量，轨道缩小、周期随之变短的效果就比较明显，观测其轨道周期的变化率，将不仅能定量地检测引力波的存在，还能确定引力辐射的特征。到本世纪 90 年代初为止，在证实引力辐射方面，除了人们公认的 PSR1913+16 是满足上述条件的最好观测目标以外，1990 年还发现了脉冲双星 PSR1534+12，它的轨道周期为 36351.70270 秒，两颗子星相距很近，质量均为 1.3M⊙。目前正在积累观测资料，以准确地确定其轨道周期变率，人们正期待着这一观测前景。