引力波引力波源及引力波探测.ppt

引力波引力波源及引力波探测
报告题纲
前言：广义相对论的几个经典检验和预言
引力波－Einstein广义相对论的预言
引力波的检测原理及引力波检测
高频引力波探测的一种可能方案－－引力波的电动力学响应
引力波源
引力波探测的站，但规模都比LIGO小。
-05-20/
特别值得一提的是目前中国科学家正在拟定的“小型激光天文动力学空间计划” Mini ASTROD (Astrodynamical Space Test of Relativity using Optical Devices)，这主要针对欧洲已批准拨款额为10亿欧元的LISA（Laser Interferometer Space Antenna ）计划，主要倡导者台湾新竹清华大学倪维斗教授早期毕业于美国加州大学，终生从事引力和相对论的研究，在引力理论和引力实验领域中均有所建树。在欧洲LISA计划的基础上，提出了相对投资较少的ASTROD计划。他退休后来到北京中国国家天文任职，积极推动ASTROD计划的实现。ASTROD建成后可以把相对论规律的验证灵敏度提高3个数量级。当然它还有其它很多重要任务，比如精密天文观测、太阳系探测、精密时钟空间飞行器设计等。
引力波探测的主要困难：
1．天然引力波信号极弱。平直时空度规取
（1，-1,-1,-1），理论推算认为天然的引力波的对度规的扰动仅为~10-30的量级。目前无法人工产生高强度引力波用于实验。
2．自然条件与技术水平的局限。太空噪声，检测设备及检验质量的热运动噪声，信号转换损失，地面振动，目前的测量技术水平等。
3．强引力波源的时间随机性。
4．理论上的原因。引力波与检测质量的作用截面极小；宇宙深处的引力波按与距离平方衰减的规律传到地球，衰减多；Einstein预言引力波时使用的弱引力场线性近似等。
3．高频引力波探测的一种可能方案－－引力波的电动力学响应
静磁场作“催化剂”（~10-100T）；
强激光束（高斯光束）入射(~105V/m)；
线性高频弱引力波假设（比如宇宙创生时产生的高频遗迹引力波~1010Hz）；
对电磁场能量密度和能流密度有一阶微扰和二阶微扰。结果表明：虽然引力子与光子的转化率极低，但引力子对光子的物理行为产生了显著的影响－－产生了与电磁波原传播方向相垂直的光子流－横向光子流。按目前的测量技术估计，该方案可以探测的引力波振幅为h~10-30左右。
曲线I－普通膨胀模型；曲线II－精质暴胀模型
探测器工作频率区域：(1)LISA（~10-7-1Hz），其中包括Mini ASTROD (~10-6-10-3Hz)；(2)LIGO (~1-104Hz)，其中包括微波腔差频响应(~103-104Hz)；(3)Weber棒(~103Hz)；(4)微波腔基频谐振(~108- 109Hz)；(5)引力波对高斯光束的电磁响应(~109-1011Hz)。高频段的探测目前还只限于理论方面的工作。
遗迹引力波能谱图
4．引力波源
自然源
天体连续引力波源：特点：连续谱，频率较低，源比较确定。
双星系统（最理想的是中子双星或黑洞双星）1993年Nobel奖颁给两位美国科学家赫尔斯和泰勒，就是奖励他们观察致密双脉冲星PSR1913+16获得引力辐射的间接证据。PSR1913+16双星的观测已经给出了引力波存在的间接定量证据，目前引力波的直接检测已成为现代物理学重大课题中的当务之急。
理论研究表明: 只有由两颗中子星组成的双星体系才有可能检验引力辐射阻尼. 而赫尔斯和泰勒在1974年底发现的脉冲星 PSR 1913+16 是目前已知的双星中唯一一个宜于进行引力理论检验的良好体系.
在目前已经发现的大约五百颗脉冲星中, PSR 1913+16 是唯一一个由两颗中子星组成的双星系统.
从1974年以后, 泰勒和他的合作者不断地分析积累多年的观测资料, 确定了该双星系统的轨道参数以及各种相对论效应.
在 1984年发表的结果是: , 为中子星的典型质量; 公转周期的变化率为 (-±)×10-12, 与广义相对论的引力辐射阻尼理论所预言的完全一致. 这是引力波存在的第一个间接定量证据, 是对爱因斯坦的广义相对论的一项重要验证.
天体爆发引力波源：特点：随机性。
超新星爆发，天体引力坍塌，黑洞合并等。
随机背景引力波：庞杂天体的引力辐射；形成黑洞前的引力辐射；特别要提到的是针对大爆炸模型提出的精质暴胀模型产生的遗迹引力波(Relic GW)，如果大爆炸模型正确，这一成分