國際引力波論文獎

國際引力波論文獎

興起引力波天文學是觀測天文學20世紀中葉以來逐漸興起的一個新興分支,其發展基礎是廣義相對論中引力的輻射理論在各類相對論性天體系統研究中的套用。 與基於電磁波觀測的傳統觀測天文學相對比,引力波天文學是通過引力波這個途徑來觀測發出引力輻射的天體系統。 概念廣義相對論預言下的引力波來自於宇宙間帶有強引力場的天文學或宇宙學波源,近半個世紀以來的天體物理學研究表明,引力輻射在天體系統中出現的場合非常豐富。

簡介

國際引力波論文獎自2006年設立,每年從全球範圍眾多被推薦的博士論文中,選出1篇獲獎論文。國際引力波委員會(Gravitational Wave International Committee)由來自全球主要大學和研究所的8名資深科學家組成。2010年度被推薦論文眾多,其中榮譽提名論文16篇。中科大物理學院天文系校友繆海興是獲此獎項的首位華人。

引力波天文學

興起

引力波天文學是觀測天文學20世紀中葉以來逐漸興起的一個新興分支,其發展基礎是廣義相對論中引力的輻射理論在各類相對論性天體系統研究中的套用。與基於電磁波觀測的傳統觀測天文學相對比,引力波天文學是通過引力波這個途徑來觀測發出引力輻射的天體系統。由於萬有引力相互作用和電磁相互作用相比強度十分微弱,引力波的直接觀測對現有技術而言還是一個很大的挑戰。自1916年愛因斯坦發表廣義相對論,在理論上預言引力波的存在以來,引力波至今未能在實驗上直接被檢測到。因此從這個意義上說,真正實現通過引力波的觀測來從實驗上研究天體系統,從而完善引力波天文學這一新興領域還為時尚早。但從相關的理論研究角度來看,理論上的引力波天文學已經存在,它的發展基礎是20世紀中葉以來在引力輻射框架下的天體物理學研究,其中最著名的例子是普林斯頓大學的拉塞爾·赫斯(Russel Hulse)和約瑟夫·泰勒(Joseph Taylor)發現的脈衝雙星,PSR 1913+16,這些研究使人們逐漸發現相對論性引力在天體系統中的重要地位。而從實驗的角度來看,引力波的探測技術研究已經取得了相當的成果,研究人員預測人類很有可能在不遠的將來實現對引力波的直接探測。

概念

廣義相對論預言下的引力波來自於宇宙間帶有強引力場的天文學或宇宙學波源,近半個世紀以來的天體物理學研究表明,引力輻射在天體系統中出現的場合非常豐富。這些可期待的波源包括銀河系內的雙星系統白矮星、中子星或黑洞等緻密星體組成的雙星),河外星系內的超大質量黑洞的合併,脈衝星的自轉,超新星的引力坍縮,大爆炸留下的背景輻射等等。引力波的觀測意義不僅在於對廣義相對論的直接驗證,更在於它能夠提供一個觀測宇宙的新途徑,就像觀測天文學從可見光天文學擴展到全波段天文學那樣極大擴展人類的視野。傳統的觀測天文學完全依靠對電磁輻射的探測,而引力波天文學的出現則標誌著觀測手段已經開始超越電磁相互作用的範疇,引力波觀測將揭示關於恆星、星系以及宇宙更多前所未知的信息。

特點

與基於電磁波觀測的傳統觀測天文學不同,引力波天文學具有如下特點:
引力波直接聯繫著波源整體的巨觀運動,而非如電磁波那樣來自單個原子電子的運動的疊加,因此引力輻射所揭示的信息與電磁輻射觀測到的完全不同。例如對一個雙星系統觀測到的引力波的偏振揭示了其雙星軌道的傾斜度,這類關於波源運動的巨觀信息通常無法從電磁輻射觀測中取得。 如果比較波長與波源尺寸的關係,宇宙間的引力波並不像電磁波那樣波長比波源尺寸小很多,這使得引力波天文學通常不能像電磁波天文學那樣對波源進行拍照成相,而是類似聲波直接從波形分析波源的性質。 大多數引力波源很難或根本無法通過電磁輻射直接觀測到(例如黑洞),這個事實反過來也成立;考慮到現在一般認為宇宙間不發射任何電磁波的暗物質所占比例要遠大於發射電磁波的已知物質,暗物質與外界的唯一相互作用即是引力相互作用,引力波天文學對這些暗物質的觀測具有重要意義。 引力波與物質的相互作用非常弱,在傳播途徑中基本不會像電磁波那樣容易發生衰減散射,這意味著它們可以揭示一些宇宙角落深處的信息,例如宇宙誕生時形成的引力輻射至今仍然在宇宙間幾乎無衰減地傳播,這為直接觀測大爆炸提供了僅有的可能。

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