“Einstein@Home:项目背景”的版本间差异
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===宇宙引力波背景=== | ===宇宙引力波背景=== | ||
科学家们也希望能探测到从宇宙起源时就存在的引力波。这将需要更多的探测器，因为与双星和中子星产生的引力波相比，这些引力波还要更弱。 | 科学家们也希望能探测到从宇宙起源时就存在的引力波。这将需要更多的探测器，因为与双星和中子星产生的引力波相比，这些引力波还要更弱。 | ||
| + | =='''探测引力波的动机'''== | ||
| + | 为什么要寻找引力波？ | ||
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| + | 就像 Einstein@Home 所展现的，LIGO 和 GEO 都是需要花费大量资金和时间来维持运行的复杂实验。但如果真探测到引力波，我们将获得一种全新的方法以观测宇宙。 | ||
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| + | 目前对于宇宙的了解大都是通过光学途径获取的。光是我们观测太空中比如银河系深处天体的唯一方法，而引力波有可能成为了解这些遥远天体的新手段，它将帮助我们获取如黑洞等不发光的天体的信息、了解超重天体的运行及碰撞情况。 | ||
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| + | 关于探测引力波的重要性，打个形象的比方，可将宇宙看作一部电影，而引力波是电影的声音。只通过光来研究电影，我们可以看到正在发生什么；通过声音来研究电影，我们能听到正在发生什么。虽然这两种手段都让我们对电影的故事情节有所了解，但只有同时看和听，我们才能真正了解这部电影。这就是这什么能同时利用引力波和光波来研究宇宙会让科学家们如此激动的原因。 | ||
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| + | 科学家们对于将可能从引力波中听到的信息已有所设想，但他们仍然非常激动于能够听到人类之前从末听到的声音！现在就加入到 Einstein@Home 中并成为这次伟大探索的一份子吧！ | ||
2008年6月22日 (日) 11:05的版本
引力波的预言
阿尔伯特·爱因斯坦可能是世界上最出名的科学家了。虽然这些荣誉是他应得的，但是爱因斯坦的理论很大一部分是基于其他伟大的科学家，被称为现代物理学之父的艾萨克·牛顿爵士，就是其中之一。
牛顿在数学，物理和天文学方面有着许多重要的贡献。但是，他最为人知的贡献是发现了引力学定理。爱因斯坦的许多理论，包括对引力波的预言，都是从牛顿引力学理论中得到灵感的。
其中一个最广为人知的故事，是描述有一天，牛顿正坐在一棵苹果树底下思考着宇宙。突然一个苹果从天而降砸到了他的头上。震惊中的牛顿马上意识到发生了什么事。就在这一瞬间，他认识到了引力是怎样将物体拉向地球的。
这个故事可能是虚构的，但它却符合事实。牛顿对自然的观察使他发现了引力定理。他认识到那个将苹果拉向地球的力很可能与使月亮围绕地球转的力是一样的。从而，他认为所有物体之间一定存在一种吸引的力，并称之为引力。
根据他的发现，牛顿注意到所有物体都互相吸引。质量越大，引力越大，但随离开物体距离的增大而减小。他称这就是引力定理。
在他的引力学理论中，牛顿结合了另外三位伟大的科学家哥白尼(1473-1543)，开普勒(1571-1630)，伽利略(1564-1642)的理论。牛顿的理论解决了许多他那个时期的难题，包括潮汐产生的原因，地球和月亮的运动，以及彗星的轨道问题。
虽然牛顿的理论解释了什么是引力，但是，在随后的300年中，引力产生的原因仍然是个谜。
探测引力波
引力波存在的间接证据
引力波存在的最初证据来自于 1974 年 Arecibo 观测站的天文学家们对沿轨道互绕对方运行的两个星体的观测结果。研究人员在对这些星体进行了多年的观测后，发现星体绕对方运行的周期在慢慢地减短。
科学家小约塞夫·泰勒和拉赛尔·赫尔斯猜测双星运行周期的变化是由于引力波的产生导致了能量的损失。他们用数学方法得的双星运行周期的变化量正好符合天文学家们的观测结果。1993 年泰勒和赫尔斯因此而获得了诺贝尔物理学奖。
赫尔斯和泰勒的获奖工作来源于在世界上最大的射电望远镜所探测到的无线电信号。该望远镜位于 Puerto Rico 的 Arecibo 观测所。
数据分析
电脑是如何分析数据的？
两个 LIGO 探测器和 GEO 600，分别进行各自的数据采集。为了从所有这些海量的数据中找出引力波信号，需要将数据分成可以被个人计算机处理的小集合。
每台计算机总是取得特定时间段特定天空区域的数据，同时被发送到计算机的还有科学家们假想的相应区域的脉冲星信号模型。一般认为脉冲星信号应该是下图所示的正弦波。
正弦波是方程 y=sin(x) 的曲线图。一个正弦波有固定的振幅（从波峰顶部到中心线的距离）和波长（波峰的间距）。
如上图所示的周期性的波，称之为周期波。除了振幅和波长，周期波有其固有的频率。波的频率是在一秒钟内波的前进方向上完整波长的个数。引力波信号看起来象正弦波，但随信号源不同具有不同的频率。
每台计算机所接收到的数据均是一个复杂的波形，所以计算机首先将数据进行一次傅立叶变换。傅立叶变换类似于一种拼图游戏，在您的面前摆放着由一幅完整的图画分割成的许多小模块，您可以将他们分区域的拼凑成原来完整的图画。傅立叶变换也是这样子的，但是它是依照波形的来分割的，它能将一个完整的波分成许多更小的正弦波，每个小正弦波都具有不同的频率。
当计算机将信号分成一个个不同频率的正弦波后，计算机就会将脉冲星信号模型与通过傅立叶变换所得到的正弦波进行比较。如果匹配，您的计算机就会向中心服务器发回一个消息，那么这个数据将被分配给另外两台计算机分析，如果这三台计算机的分析结果相同，研究人员就会对这个数据进行更深一步的分析，看看信号到底是由引力波产生的还是由局部干扰引起的。当然，他们会通过与其它观测站的数据进行比较以确定是否是局部干扰。
如果您的分析结果与模型不匹配，您的计算机也会向中心服务器发回一个消息，那么这个数据将再分配给至少一台计算机分析，如果还是不匹配，那么这个数据将不会再被分析了。
这个分析需要大量的计算机进行处理，这就是为什么我们急切地需要您的帮助的原因！
LIGO 和 GEO 600 探测器
LIGO 和 GEO 600是用来测量引力波即时空结构中的波动的工具。引力波非常难以测量，因为当他们到达地球的时候已经变得非常弱了。
LIGO 和 GEO 600通过测量两条激光束相遇的时候所形成的干涉图样的变化来探测引力波。这些图样依赖于激光束的传播距离，当引力波穿过时激光束的传播距离会相应变化。
这种称之为激光干涉计的探测器的灵敏度，是与激光传播的距离成比例的。因为探测器需要寻找的是很微弱的信号，所以需要 LIGO 和 GEO 的尺寸相当大。
引力波源
当时空结构的曲率发生变化的时候就会产生引力波。既然时空结构的形状仅取决于质量的分布，能够改变质量分布的事件就能够导致引力波的产生。因为时空结构并不是富有弹性的，要产生我们能探测到的引力波将需要相当多的能量。还记得保龄球的比喻吗？时空结构就像一张僵硬的蹦床，你只有将相当重的物体放在上面蹦床才会下陷。
就像池塘中的水波，引力波在产生后的传播过程中也会损失能量。这就是在地球上难以探测到它们的原因 - 必须是以接近光速的速度运行的超重天体，才能产生足够强的引力波供我们探测，然而这些天体往往都离地球相当远。科学家们认为通过 LIGO 和 GEO 我们也许能探测到来自中子星、超新星和碰撞黑洞的引力波。
双星系统
两个大质量的恒星或黑洞相互绕对方运行，就构成了一个双星系统。当两个星体螺旋状地相互靠近时，它们将以产生引力波的形式损失能量。星体靠得越近，产生的引力波也越强，当两个星体最终相撞，将产生非常强的引力波信号。
双星系统中的星体可以是恒星、黑洞或两者的组合。
超新星
超新星是指具有超大质量的恒星所产生的猛烈的爆炸。当一个超重恒星烧尽了它自身的燃料，就会开始蹋缩。如果蹋缩过程不是沿着完美的球形，超新星将在瞬间发出强烈的引力波。
中子星
超新星爆发后可能会留下一个极高密度、快速旋转的、几乎完全由中子构成的核心，即中子星。中子星并不是完美的球形，在快速的旋转过程上将产生引力波。一些中子星变成了脉冲星，即发射电磁波的星体，它们也可能会产生引力波。
黑洞
如果中子星再进一步蹋缩，它将可能成为一个黑洞。这时，星体产生的引力是如此之大以到没有任何物体能逃脱它的束缚，黑洞对外界唯一能提供的信息就是通过引力波的形式。
宇宙引力波背景
科学家们也希望能探测到从宇宙起源时就存在的引力波。这将需要更多的探测器，因为与双星和中子星产生的引力波相比，这些引力波还要更弱。
探测引力波的动机
为什么要寻找引力波？
就像 Einstein@Home 所展现的，LIGO 和 GEO 都是需要花费大量资金和时间来维持运行的复杂实验。但如果真探测到引力波，我们将获得一种全新的方法以观测宇宙。
目前对于宇宙的了解大都是通过光学途径获取的。光是我们观测太空中比如银河系深处天体的唯一方法，而引力波有可能成为了解这些遥远天体的新手段，它将帮助我们获取如黑洞等不发光的天体的信息、了解超重天体的运行及碰撞情况。
关于探测引力波的重要性，打个形象的比方，可将宇宙看作一部电影，而引力波是电影的声音。只通过光来研究电影，我们可以看到正在发生什么；通过声音来研究电影，我们能听到正在发生什么。虽然这两种手段都让我们对电影的故事情节有所了解，但只有同时看和听，我们才能真正了解这部电影。这就是这什么能同时利用引力波和光波来研究宇宙会让科学家们如此激动的原因。
科学家们对于将可能从引力波中听到的信息已有所设想，但他们仍然非常激动于能够听到人类之前从末听到的声音！现在就加入到 Einstein@Home 中并成为这次伟大探索的一份子吧！