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看清引力波的“旋转”需要更灵敏的“眼睛”

资料来源:《科学技术日报》

2015年,科学家首次使用激光干涉仪直接探测引力波。从那以后,越来越多的引力波事件被探测到。

然而,人类对引力波的理解可能刚刚开始。引力波的许多特征需要被发现。

近日,武汉大学物理科学与技术学院的侯少奇博士、范锡龙教授和朱宗宏教授在《物理评论》(Physical Review D)上联合发表了一篇关于引力波的论文,他们认为引力波的透镜效应会引起偏振面的旋转和引力波的法拉第旋转。此外,原则上,这些效应可以通过激光干涉仪来检测。

引力波会旋转吗?这是怎么回事?

引力波在你手中

"引力波和光有许多相似之处."该论文的第一作者侯少奇说,在真空中,引力波和光以每秒30万公里的速度传播,它们没有质量。光波是具有时空周期性的电磁场,而引力波是具有时空周期性的重力场。光波是横波,引力波也是横波。

1915年,爱因斯坦提出了他的广义相对论,并预言光线会在恒星附近偏转,即引力透镜效应。这种现象在1919年被其他科学家发现,并成为支持广义相对论的有力证据。

“既然引力波和光波是波,它们应该有相似之处。我们可以从广义相对论中推断,大质量天体附近的光偏转现象也将发生在引力波上。”范锡龙说道。

这项研究预测引力波不仅会改变它们在大质量恒星附近的传播方向,还会改变偏振面的旋转和法拉第旋转效应。

为了让大家更好地理解引力波偏振面的旋转和法拉第旋转,范锡龙教授想出了一个简单的方法——用手指帮忙。

伸出右手,使右手的拇指、食指和中指相互垂直。中指指向代表引力波的传播方向,那么拇指和食指的平面代表引力波的所谓极化平面,即引力波在这个平面中的振动。

然后,你可以试着改变中指的方向,同时保持三个手指相互垂直。这时,你会发现随着中指指向的改变,拇指和食指的平面也会改变。如果引力波经历类似的变化,它们被称为引力波偏振面的旋转。

法拉第旋转是另一种效应。为了生动地理解法拉第旋转效应,仍然可以使用三个手指。

这次,你需要保持中指指向,改变拇指和食指指向。在这种情况下,虽然拇指和食指的方向已经改变,但它们仍然在原始平面内旋转。如果引力波上发生类似的现象,我们将称之为引力波法拉第旋转效应。

未来要“捕捉”的微小变化

“原则上,这两种效应都可以通过激光干涉仪检测到。但不是现在。”侯少奇说。

侯少奇介绍说,激光干涉仪对引力波的测量数据与引力波相对干涉仪的传播方向有关,也与法拉第旋转是否发生有关。当引力波穿过大质量恒星时,它们的偏振面旋转,并伴随法拉第旋转效应。这些变化导致激光干涉仪获得的数据相应地变化,从而干涉仪可以用来检测这两种效应是否发生。

然而,由于引力波透镜效应中引力波传播方向的非常小的变化,激光干涉仪由其偏振面的旋转引起的响应可以忽略不计,并且目前无法测量。相比之下,法拉第旋转效应更弱,在现有条件下难以测量。

"当然,这并不意味着将来就不能检测到它."范锡龙告诉《科学日报》(ScienceDaily),未来10到20年,世界各地将会建造许多陆基引力波探测器,许多空间引力波探测器也可能出现在太空中。这些探测器具有较高的灵敏度,因此将来有可能探测引力波的偏振面旋转和法拉第旋转效应。

那么,探测偏振面的旋转和法拉第旋转效应对引力波研究有什么意义呢?

范锡龙回答说,引力波偏振面旋转的预测主要是基于爱因斯坦对广义相对论的预测,所以探测引力波偏振面的旋转可以更全面地测试广义相对论,是对引力波本质的全面理解。

此外,引力波法拉第旋转效应的检测可以使我们理解引力波物理学的丰富性,加深我们对空间和时间本质的理解,并预测引力波可能还有更多奇怪的性质有待发现。(李媛媛)

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