引力波引力波源及引力波探測.ppt

引力波,引力波源 及引力波探測,主 講 人 ： 李 芳 昱 交流Email: ,報告題綱,前言：廣義相對論的幾個經(jīng)典檢驗和預(yù)言 引力波Einstein廣義相對論的預(yù)言 引力波的檢測原理及引力波檢測 高頻引力波探測的一種可能方案引力波的電動力學(xué)響應(yīng) 引力波源 引力波探測的意義和展望,前言：廣義相對論的幾個經(jīng)典檢驗和預(yù)言 1光譜線在引力場中的紅移；距引力場源較遠(yuǎn)處接收到光的頻率較低，原因：光“逃離”引力場源需要做功。 2光線在引力場中的偏折； 牛頓理論加上光子概念可以定性解釋，但定量結(jié)果卻總只有觀測值的一半。 3水星進(jìn)日點的進(jìn)動； 多出來的43秒百年，牛頓理論加上攝動修正無法解釋。 以上三點均是廣義相對論的直接推論史瓦西解（Schwarzschild1916）的直接結(jié)果。,4雷達(dá)回波延遲；1964年Shapiro首次提出。地球發(fā)出的雷達(dá)信號經(jīng)太陽附近到達(dá)另一行星（或飛船），然后返回，測量信號發(fā)出與接收的時間。與廣義相對論的吻合程度非常高。 5引力輻射； 下面專門談。 6黑洞；等。 在經(jīng)典物理中是一個“只進(jìn)不出”的東西，僅由三個物理量質(zhì)量、電荷、角動量描述，任何物質(zhì)一旦掉入，信息就全部消失。在量子理論中黑洞有量子蒸發(fā)。 關(guān)于后面兩個預(yù)言，目前研究處于艱難期，進(jìn)展緩慢。,1. 引力波Einstein廣義相對論的預(yù)言,Maxwell從理論上預(yù)言電磁波的存在(1865年)，Hertz發(fā)現(xiàn)電磁波(1888利用振蕩電偶極子發(fā)射EMW，利用共振電偶極子接收EMW)。 Einstein（1916）從理論上預(yù)言引力波的存在，誰去發(fā)現(xiàn)引力波呢？-“理論家的天堂，實驗家的地獄”？！ 廣義相對論引力場方程 弱場近似下退化成波動方程,愛因斯坦廣義相對論的引力場方程,廣義相對論是一種把時空結(jié)構(gòu)幾何化的引力理論，它認(rèn)為，物質(zhì)分布將影響時空的幾何結(jié)構(gòu)，而時空結(jié)構(gòu)又會反過來影響物質(zhì)的分布。,描述時空結(jié)構(gòu),平直時空為,描述物質(zhì)分布,此時的時空結(jié)構(gòu)為平直時空度規(guī)再加上一個微擾 在無質(zhì)量時空區(qū)域可簡化為常見的波動方程：,與電磁場波動方程作一比較，作一由此及彼的推測，應(yīng)該能夠得到什么？,弱場近似下，上述方程退化為：,重復(fù)指標(biāo)表示求和，每個指標(biāo)由1到4(時間1維，空間3維)。,電磁波不存在單極輻射，至少是電偶極輻射；而引力波不存在單極和偶極輻射，至少是質(zhì)量四極矩輻射。因此強度非常弱！,結(jié)論：,從理論上預(yù)言了引力波的存在，它以光速傳播。 由波動方程直接導(dǎo)出。 引力波是橫波。 原因是假定取諧和坐標(biāo)，并假定引力波沿某一方向（比如X方向）傳播，則它只對Y方向和Z方向的度規(guī)造成擾動。 不存在單極和偶極引力輻射。 引力波帶有能量，可以被探測，但引力輻射的最低極矩是四極矩，這就是為什么引力波非常弱而難以探測的原因。,2引力波的檢測原理及引力波檢測,彎曲時空中自由粒子的短程線方程,兩個處于不同短程線上的粒子就構(gòu)成了一個最簡單的引力波檢測器。 實驗原理：正如電磁場驅(qū)動帶電粒子一樣，處于引力場中的物體也將受到引力的驅(qū)動。可以證明：粒子所組成的環(huán)平面與平面引力波的傳播方向垂直時，在一個同期內(nèi)，它將被引力扭曲為下頁之圖。,平面引力波中X型極化和+型極化對粒子環(huán)的作用示意圖,兩類引力波探測器,共振型棒式天線： 代表：Weber棒(美國) 激光干涉儀探測器： 代表：LIGO（美國）,實驗裝置：懸掛的鋁棒（重1.4噸）壓電陶瓷傳感器。靈敏度為h2X10-15。 Weber的檢測器工作在室溫下，來自熱運動的噪聲會干擾實驗結(jié)果。目前采用高Q值低內(nèi)耗鋁合金在超低溫(10-2K)下工作，工作的引力波頻段為1000Hz段，靈敏度為h2X10-21。 缺點：非共振頻段的引力波反應(yīng)弱；守株待兔式探測需要昂貴的實驗維持費用。,上世紀(jì)60年代中期， J. Weber（韋伯）教授領(lǐng)導(dǎo)的實驗小組在美國Maryland（馬里蘭）大學(xué)建成。,部分實驗結(jié)果：,1969年，韋伯(J. Weber)宣稱探測到了來自銀河系中心的引力波，實驗結(jié)果發(fā)表于美國物理評論快報(Physics Review Letter)，但后來相繼建成的更高靈敏度的引力波檢測器沒能重復(fù)其結(jié)果，因此其結(jié)論目前仍然未能被科學(xué)界接受，認(rèn)為是噪聲而非引力波！ 1987年有個小組聲稱接收到了來自大麥哲倫星云(屬于銀河系的近鄰星系)中的超新星1987A 爆發(fā)時的引力輻射。 這兩個結(jié)果都因為沒有旁證而無法得到公認(rèn).,位于華盛頓州漢弗德的LIGO觀測站,耗資3.6億美元，它有強勁的激光器、臂長為4公里長的真空室以及奇快的數(shù)據(jù)記錄器，它和位于路易斯安娜州的姐妹站開始投入使用，用于探測低頻(10-4-10-1Hz)引力波，靈敏度10-21。它們能夠從地球的震動以及電子噪音中分辨出來自宇宙的引力波。觀測到的數(shù)據(jù)可以用來研究黑洞的合并、不對稱超新星的爆發(fā)或者是大質(zhì)量天體的突然運動.,激光干涉引力波天文臺LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory)（美國）,LIGO實際上是一個L形的兩個臂長均為四公里的巨型激光干涉儀，探測精度可望分辨出一個氫原子直徑的十億分之一的振蕩信號，這也正是探測預(yù)期的天文引力波至少所需要的檢測精度。如果探測引力波的目標(biāo)得以實現(xiàn)，它不僅可以證實愛因斯坦廣義相對論的最重要、最輝煌和最激動人心的預(yù)言引力波的存在，而且將為人類觀測宇宙打開一個嶄新的窗口。,其原理與傳統(tǒng)的邁克爾遜干涉儀完全相同,引力波作用將引起兩垂直光臂(檢驗質(zhì)量)產(chǎn)生不同的距離變化，從而改變兩束干涉光的光程差，通過干涉條紋移動反映出來！其工作頻率下限為10Hz。歐洲宇航局?jǐn)M建的LISA工作頻率下限為10-2Hz。,除此之外，英德聯(lián)合（德國漢諾威CEO600）、法國和意大利(VIRGO)、日本(東京大學(xué)天鼓TAMA計劃)都正在或擬建造引力波探測站，但規(guī)模都比LIGO小。,/o/2002-05-20/116089.shtml,特別值得一提的是目前中國科學(xué)家正在擬定的“小型激光天文動力學(xué)空間計劃” Mini ASTROD (Astrodynamical Space Test of Relativity using Optical Devices)，這主要針對歐洲已批準(zhǔn)撥款額為10億歐元的LISA（Laser Interferometer Space Antenna ）計劃，主要倡導(dǎo)者臺灣新竹清華大學(xué)倪維斗教授早期畢業(yè)于美國加州大學(xué)，終生從事引力和相對論的研究，在引力理論和引力實驗領(lǐng)域中均有所建樹。在歐洲LISA計劃的基礎(chǔ)上，提出了相對投資較少的ASTROD計劃。他退休后來到北京中國國家天文任職，積極推動ASTROD計劃的實現(xiàn)。ASTROD建成后可以把相對論規(guī)律的驗證靈敏度提高3個數(shù)量級。當(dāng)然它還有其它很多重要任務(wù)，比如精密天文觀測、太陽系探測、精密時鐘空間飛行器設(shè)計等。,引力波探測的主要困難： 1天然引力波信號極弱。平直時空度規(guī)取 （1，-1,-1,-1），理論推算認(rèn)為天然的引力波的對度規(guī)的擾動僅為10-30的量級。目前無法人工產(chǎn)生高強度引力波用于實驗。 2自然條件與技術(shù)水平的局限。太空噪聲，檢測設(shè)備及檢驗質(zhì)量的熱運動噪聲，信號轉(zhuǎn)換損失，地面振動，目前的測量技術(shù)水平等。 3強引力波源的時間隨機性。 4理論上的原因。引力波與檢測質(zhì)量的作用截面極?。挥钪嫔钐幍囊Σò磁c距離平方衰減的規(guī)律傳到地球，衰減多；Einstein預(yù)言引力波時使用的弱引力場線性近似等。,3高頻引力波探測的一種可能方案引力波的電動力學(xué)響應(yīng),靜磁場作“催化劑”（10-100T）； 強激光束（高斯光束）入射(105V/m)； 線性高頻弱引力波假設(shè)（比如宇宙創(chuàng)生時產(chǎn)生的高頻遺跡引力波1010Hz）； 對電磁場能量密度和能流密度有一階微擾和二階微擾。結(jié)果表明：雖然引力子與光子的轉(zhuǎn)化率極低，但引力子對光子的物理行為產(chǎn)生了顯著的影響產(chǎn)生了與電磁波原傳播方向相垂直的光子流橫向光子流。按目前的測量技術(shù)估計，該方案可以探測的引力波振幅為h10-30左右。,曲線I普通膨脹模型；曲線II精質(zhì)暴脹模型 探測器工作頻率區(qū)域：(1)LISA（10-7-1Hz），其中包括Mini ASTROD (10-6-10-3Hz)；(2)LIGO (1-104Hz)，其中包括微波腔差頻響應(yīng)(103-104Hz)；(3)Weber棒(103Hz)；(4)微波腔基頻諧振(108- 109Hz)；(5)引力波對高斯光束的電磁響應(yīng)(109-1011Hz)。高頻段的探測目前還只限于理論方面的工作。,遺跡引力波能譜圖,4引力波源,4.1 自然源 天體連續(xù)引力波源：特點：連續(xù)譜，頻率較低，源比較確定。 雙星系統(tǒng)（最理想的是中子雙星或黑洞雙星）1993年Nobel獎頒給兩位美國科學(xué)家赫爾斯和泰勒，就是獎勵他們觀察致密雙脈沖星PSR1913+16獲得引力輻射的間接證據(jù)。PSR1913+16雙星的觀測已經(jīng)給出了引力波存在的間接定量證據(jù)，目前引力波的直接檢測已成為現(xiàn)代物理學(xué)重大課題中的當(dāng)務(wù)之急。 理論研究表明: 只有由兩顆中子星組成的雙星體系才有可能檢驗引力輻射阻尼. 而赫爾斯和泰勒在1974年底發(fā)現(xiàn)的脈沖星 PSR 1913+16 是目前已知的雙星中唯一一個宜于進(jìn)行引力理論檢驗的良好體系.,在目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的大約五百顆脈沖星中, PSR 1913+16 是唯一一個由兩顆中子星組成的雙星系統(tǒng). 從1974年以后, 泰勒和他的合作者不斷地分析積累多年的觀測資料, 確定了該雙星系統(tǒng)的軌道參數(shù)以及各種相對論效應(yīng). 在 1984年發(fā)表的結(jié)果是: 兩顆星的質(zhì)量均為太陽質(zhì)量的1.4倍, 為中子星的典型質(zhì)量; 公轉(zhuǎn)周期的變化率為 (-2.400.09)10-12, 與廣義相對論的引力輻射阻尼理論所預(yù)言的完全一致. 這是引力波存在的第一個間接定量證據(jù), 是對愛因斯坦的廣義相對論的一項重要驗證.,天體爆發(fā)引力波源：特點：隨機性。 超新星爆發(fā)，天體引力坍塌，黑洞合并等。 隨機背景引力波：龐雜天體的引力輻射；形成黑洞前的引力輻射；特別要提到的是針對大爆炸模型提出的精質(zhì)暴脹模型產(chǎn)生的遺跡引力波(Relic GW)，如果大爆炸模型正確，這一成分應(yīng)該包括。引力波對物質(zhì)的穿透能力極強，它幾乎能攜帶最古老也是最遙遠(yuǎn)的宇宙信息 。,黑洞（球?qū)ΨQ）本身不輻射引力波，但黑洞在產(chǎn)生或兩個黑洞合并（碰撞）的過程中將強烈地輻射引力波。,借助美國宇航局的“錢德拉”X射線望遠(yuǎn)鏡，由德國、荷蘭和美國等國天文學(xué)家組成的一個研究小組首次證實，兩個巨型黑洞可以同時共存于一個星系之中。這一發(fā)現(xiàn)為研究黑洞和星系的形成等提供了重要線索。 天文學(xué)家們預(yù)測說，新發(fā)現(xiàn)的兩個黑洞有可能在未來幾億年中互相靠攏，最終合并為一個更為巨大的黑洞，并釋放出極其強大的引力波。,4.2 人工源 根據(jù)引力場方程可以引力場人工造源,但目前都還僅限于理論方面，不足以引起可觀察的效應(yīng)。 電磁場張量EMT (Energy Momentum Tensor)變化可以引起引力輻射G-S (Grishchuk-Sazhin)方案（電磁諧振腔）, P-R (Pinto-Lotoli)方案（高頻脈沖源模型）, T-L-L(唐孟希，李芳昱，羅俊)的改進(jìn)方案（電介質(zhì)電磁諧振腔）。但距現(xiàn)實仍然有較大的距離主要是尺寸太大108-1010cm3！ 質(zhì)量四極矩的三階導(dǎo)數(shù)不為零會有引力輻射。,在實驗室條件下的一個 估算：,目前的實驗精度無法測量！,意大利科學(xué)家宣稱第一次捕捉到宇宙黑洞引力波,意大利國家核物理研究中心引力波研究室主任科奇亞教授日前宣布，經(jīng)過近30年的努力，他們終于首次捕捉到宇宙黑洞的引力波。如果它最終被證實，這將證實愛因斯坦相對論的最后一個重要推論。 他們的探測器類型屬于共振型引力波天線。