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另一種形式的引力振子是讓一棍棒繞透過其中心的垂直軸在水平面上旋轉。在視線沿旋轉面的觀測者看來,棒的投影長度在不斷變化,棒表現出交替地縮短和伸長,這種運動也產生引力波。一根長20米、重500噸的鋼律以其強度極限內的最大速度旋轉,即每秒鐘轉5周,所釋放的引力能仍是小得可笑:10”’瓦。

也許還是離開實驗室,尋找太陽系裡的自然引力源為好,但是情況仍不能令人鼓舞。五百億顆直徑為1公里的隕星,以每秒10公里的速度落向地球時所產生的引力波能量,才能點亮一隻燈泡。當然,沒有人還能活著看到這個結果。

在通常的天體中尋找引力源是無濟於事的。為產生不可忽略的引力波,恆星必須以接近於光速的速度運動,並且高度緻密,即其半徑接近於史瓦西半徑。地球繞太陽公轉的速度是周公裡/秒,半徑是其史瓦西半徑的10億倍,產生的引力能只有0.001瓦。

貫穿本書始終的“相對論”星,至少能夠短暫地具備有利於引力光發射的條件。它們在發生最劇烈的變動時能成為很好的引力波源。由於這些星都離得很遠(假如是在地球附近,所有的生命就會蕩然無存),它們的引力能只有極小一部分能夠到達地球。

緻密星系統是理想的引力波源。一對靠得很近的中子星能夠輻射足夠強的引力能,由此產生的效應能被間接地探測到,因為軌道運動能量的丟失會由轉動週期的縮短反映出來。雙星脈衝星PSR1913+16是這種現象的一個極好例證,而且可能是目前僅有的引力波的觀測證據(見“脈衝雙星的大貢獻”一節)。

對單個恆星來說,標誌其熱核生涯終結的激變事件可以成為強大的引力輻射源泉,導致中子星形成的超新星就是極其有效的釋能事件。恆星在其坍縮的最後幾秒鐘所發射的引力能,比它在熱核生涯的幾百萬年中所釋放的電磁能還要多。但是,與發射週期性的引力波並被稱為“引力脈衝星”的雙星系統不同,超新星是~種“衝動”源,只產生~次短暫的引力輻射爆發。

談論引力最後總是回到黑洞,黑洞是超優美的相對論星,是最豐富的引力輻射源。恆星完全球對稱地坍縮成為黑洞的過程並不產生任何引力波(見第11章),但是真實的恆星是旋轉的,總有不對稱的運動,從而有引力光的發射。黑洞“嬰兒”的第一聲“啼哭”就是引力光的閃耀,釋放的能量與其靜質量能量相當。兩個10Mpe量的黑洞相碰撞所產生的弓I力光度,比最強大的類星體的電磁光度還要大1億倍。如果這樣一個事件發生在1萬光年之遙的銀河系中心,到達地球的能流將是可探測的。

一門研究引力光的新天文學正在誕生,這將是具有無可比擬的透明性的天文學。這是因為,與電磁輻射不同,引力輻射並不被物質吸收,因而來自遙遠源的輻射就能不損失任何所攜帶的資訊而到達地球。另外,對於最強的引力輻射源,即中子星對、超新星核心和黑洞,電磁觀測所能揭示的資訊極少,而且只能以間接的方式。因此,引力天文學將開啟一扇通往一個更神秘的宇宙的新視窗,不僅揭示出關於緻密星和超密物質的未知性質,而且告訴我們宇宙150億年前開端時的情況。不斷地被密度漲落所攪”動的原初宇宙,以及大爆炸本身,都是強大的引力輻射源。即使在大爆炸後的頭100萬年裡沒有電磁波射出,引力輻射仍能不受妨礙地穿過原初宇宙的最高密度區域,或許只有引力光能夠提供黑洞存在和宇宙誕生的確定證據。

再回到地球。望遠鏡是用來捕獲光的,那麼又怎樣建造~個引力望遠鏡呢?原理很簡單。正如電磁波引起接收天線振盪一樣,引力波也使相遇的物質以一定方式振盪,“曲率皺紋”使時空的彈性織物出現輕微波動,時空距離發生伸長或縮短。例如,如果探測器是一塊固體物質,當引力波穿過時該物體的不同部分就會沿不同方向有所移動,即出現形變(必須注意,引力波總能穿過任何物體。無論是多麼堅硬的物體,都不可能完全不發生形變)。

物體中兩點之間的間隔在引力波作用下發生的變動能給出波的振幅,而波的振幅是其能量的直接量度。銀河系中心兩個恆星級黑洞的碰撞將會使一個1米長的律形探測器兩端發生10-‘’(一萬億分之一)毫米的移動。引力波探測器的建造因而是對科學家們的一個技術挑戰。

馬里蘭大學的約瑟夫·韋伯(Jose

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