引力波引力波源及引力波探測(cè).ppt

引力波,引力波源 及引力波探測(cè),主 講 人 ： 李 芳 昱 交流Email: ,報(bào)告題綱,前言：廣義相對(duì)論的幾個(gè)經(jīng)典檢驗(yàn)和預(yù)言 引力波Einstein廣義相對(duì)論的預(yù)言 引力波的檢測(cè)原理及引力波檢測(cè) 高頻引力波探測(cè)的一種可能方案引力波的電動(dòng)力學(xué)響應(yīng) 引力波源 引力波探測(cè)的意義和展望,前言：廣義相對(duì)論的幾個(gè)經(jīng)典檢驗(yàn)和預(yù)言 1光譜線(xiàn)在引力場(chǎng)中的紅移；距引力場(chǎng)源較遠(yuǎn)處接收到光的頻率較低，原因：光“逃離”引力場(chǎng)源需要做功。 2光線(xiàn)在引力場(chǎng)中的偏折； 牛頓理論加上光子概念可以定性解釋?zhuān)拷Y(jié)果卻總只有觀(guān)測(cè)值的一半。 3水星進(jìn)日點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)； 多出來(lái)的43秒百年，牛頓理論加上攝動(dòng)修正無(wú)法解釋。 以上三點(diǎn)均是廣義相對(duì)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(hào)經(jīng)太陽(yáng)附近到達(dá)另一行星（或飛船），然后返回，測(cè)量信號(hào)發(fā)出與接收的時(shí)間。與廣義相對(duì)論的吻合程度非常高。 5引力輻射； 下面專(zhuān)門(mén)談。 6黑洞；等。 在經(jīng)典物理中是一個(gè)“只進(jìn)不出”的東西，僅由三個(gè)物理量質(zhì)量、電荷、角動(dòng)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(gè)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(duì)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(shuí)去發(fā)現(xiàn)引力波呢？-“理論家的天堂，實(shí)驗(yàn)家的地獄”？！ 廣義相對(duì)論引力場(chǎng)方程 弱場(chǎng)近似下退化成波動(dòng)方程,愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的引力場(chǎng)方程,廣義相對(duì)論是一種把時(shí)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(shí)空的幾何結(jié)構(gòu)，而時(shí)空結(jié)構(gòu)又會(huì)反過(guò)來(lái)影響物質(zhì)的分布。,描述時(shí)空結(jié)構(gòu),平直時(shí)空為,描述物質(zhì)分布,此時(shí)的時(shí)空結(jié)構(gòu)為平直時(shí)空度規(guī)再加上一個(gè)微擾 在無(wú)質(zhì)量時(shí)空區(qū)域可簡(jiǎn)化為常見(jiàn)的波動(dòng)方程：,與電磁場(chǎng)波動(dòng)方程作一比較，作一由此及彼的推測(cè)，應(yīng)該能夠得到什么？,弱場(chǎng)近似下，上述方程退化為：,重復(fù)指標(biāo)表示求和，每個(gè)指標(biāo)由1到4(時(shí)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(qiáng)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(dòng)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(duì)Y方向和Z方向的度規(guī)造成擾動(dòng)。 不存在單極和偶極引力輻射。 引力波帶有能量，可以被探測(cè)，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(cè)的原因。,2引力波的檢測(cè)原理及引力波檢測(cè),彎曲時(shí)空中自由粒子的短程線(xiàn)方程,兩個(gè)處于不同短程線(xiàn)上的粒子就構(gòu)成了一個(gè)最簡(jiǎn)單的引力波檢測(cè)器。 實(shí)驗(yàn)原理：正如電磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)帶電粒子一樣，處于引力場(chǎng)中的物體也將受到引力的驅(qū)動(dòng)?？梢宰C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(shí)，在一個(gè)同期內(nèi)，它將被引力扭曲為下頁(yè)之圖。,平面引力波中X型極化和+型極化對(duì)粒子環(huán)的作用示意圖,兩類(lèi)引力波探測(cè)器,共振型棒式天線(xiàn)： 代表：Weber棒(美國(guó)) 激光干涉儀探測(cè)器： 代表：LIGO（美國(guó)）,實(shí)驗(yàn)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(cè)器工作在室溫下，來(lái)自熱運(yùn)動(dòng)的噪聲會(huì)干擾實(shí)驗(yàn)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(diǎn)：非共振頻段的引力波反應(yīng)弱；守株待兔式探測(cè)需要昂貴的實(shí)驗(yàn)維持費(fèi)用。,上世紀(jì)60年代中期， J. Weber（韋伯）教授領(lǐng)導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)小組在美國(guó)Maryland（馬里蘭）大學(xué)建成。,部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果：,1969年，韋伯(J. Weber)宣稱(chēng)探測(cè)到了來(lái)自銀河系中心的引力波，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)表于美國(guó)物理評(píng)論快報(bào)(Physics Review Letter)，但后來(lái)相繼建成的更高靈敏度的引力波檢測(cè)器沒(méi)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(gè)小組聲稱(chēng)接收到了來(lái)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(shí)的引力輻射。 這兩個(gè)結(jié)果都因?yàn)闆](méi)有旁證而無(wú)法得到公認(rèn).,位于華盛頓州漢弗德的LIGO觀(guān)測(cè)站,耗資3.6億美元，它有強(qiáng)勁的激光器、臂長(zhǎng)為4公里長(zhǎng)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(kāi)始投入使用，用于探測(cè)低頻(10-4-10-1Hz)引力波，靈敏度10-21。它們能夠從地球的震動(dòng)以及電子噪音中分辨出來(lái)自宇宙的引力波。觀(guān)測(cè)到的數(shù)據(jù)可以用來(lái)研究黑洞的合并、不對(duì)稱(chēng)超新星的爆發(fā)或者是大質(zhì)量天體的突然運(yùn)動(dòng).,激光干涉引力波天文臺(tái)LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory)（美國(guó)）,LIGO實(shí)際上是一個(gè)L形的兩個(gè)臂長(zhǎng)均為四公里的巨型激光干涉儀，探測(cè)精度可望分辨出一個(gè)氫原子直徑的十億分之一的振蕩信號(hào)，這也正是探測(cè)預(yù)期的天文引力波至少所需要的檢測(cè)精度。如果探測(cè)引力波的目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)，它不僅可以證實(shí)愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的最重要、最輝煌和最激動(dòng)人心的預(yù)言引力波的存在，而且將為人類(lèi)觀(guān)測(cè)宇宙打開(kāi)一個(gè)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(yàn)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(guò)干涉條紋移動(dòng)反映出來(lái)！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(guó)漢諾威CEO600）、法國(guó)和意大利(VIRGO)、日本(東京大學(xué)天鼓TAMA計(jì)劃)都正在或擬建造引力波探測(cè)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(guó)科學(xué)家正在擬定的“小型激光天文動(dòng)力學(xué)空間計(jì)劃” Mini ASTROD (Astrodynamical Space Test of Relativity using Optical Devices)，這主要針對(duì)歐洲已批準(zhǔn)撥款額為10億歐元的LISA（Laser Interferometer Space Antenna ）計(jì)劃，主要倡導(dǎo)者臺(tái)灣新竹清華大學(xué)倪維斗教授早期畢業(yè)于美國(guó)加州大學(xué)，終生從事引力和相對(duì)論的研究，在引力理論和引力實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域中均有所建樹(shù)。在歐洲LISA計(jì)劃的基礎(chǔ)上，提出了相對(duì)投資較少的ASTROD計(jì)劃。他退休后來(lái)到北京中國(guó)國(guó)家天文任職，積極推動(dòng)ASTROD計(jì)劃的實(shí)現(xiàn)。ASTROD建成后可以把相對(duì)論規(guī)律的驗(yàn)證靈敏度提高3個(gè)數(shù)量級(jí)。當(dāng)然它還有其它很多重要任務(wù)，比如精密天文觀(guān)測(cè)、太陽(yáng)系探測(cè)、精密時(shí)鐘空間飛行器設(shè)計(jì)等。,引力波探測(cè)的主要困難： 1天然引力波信號(hào)極弱。平直時(shí)空度規(guī)取 （1，-1,-1,-1），理論推算認(rèn)為天然的引力波的對(duì)度規(guī)的擾動(dòng)僅為10-30的量級(jí)。目前無(wú)法人工產(chǎn)生高強(qiáng)度引力波用于實(shí)驗(yàn)。 2自然條件與技術(shù)水平的局限。太空噪聲，檢測(cè)設(shè)備及檢驗(yàn)質(zhì)量的熱運(yùn)動(dòng)噪聲，信號(hào)轉(zhuǎn)換損失，地面振動(dòng)，目前的測(cè)量技術(shù)水平等。 3強(qiáng)引力波源的時(shí)間隨機(jī)性。 4理論上的原因。引力波與檢測(cè)質(zhì)量的作用截面極??；宇宙深處的引力波按與距離平方衰減的規(guī)律傳到地球，衰減多；Einstein預(yù)言引力波時(shí)使用的弱引力場(chǎng)線(xiàn)性近似等。,3高頻引力波探測(cè)的一種可能方案引力波的電動(dòng)力學(xué)響應(yīng),靜磁場(chǎng)作“催化劑”（10-100T）； 強(qiáng)激光束（高斯光束）入射(105V/m)； 線(xiàn)性高頻弱引力波假設(shè)（比如宇宙創(chuàng)生時(shí)產(chǎn)生的高頻遺跡引力波1010Hz）； 對(duì)電磁場(chǎng)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(duì)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(cè)量技術(shù)估計(jì)，該方案可以探測(cè)的引力波振幅為h10-30左右。,曲線(xiàn)I普通膨脹模型；曲線(xiàn)II精質(zhì)暴脹模型 探測(cè)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(duì)高斯光束的電磁響應(yīng)(109-1011Hz)。高頻段的探測(cè)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(diǎn)：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(jiǎng)?lì)C給兩位美國(guó)科學(xué)家赫爾斯和泰勒，就是獎(jiǎng)勵(lì)他們觀(guān)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(guān)測(cè)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(cè)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(yàn)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(gè)宜于進(jìn)行引力理論檢驗(yàn)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(gè)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(guān)測(cè)資料, 確定了該雙星系統(tǒng)的軌道參數(shù)以及各種相對(duì)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(yáng)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(duì)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(gè)間接定量證據(jù), 是對(duì)愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論的一項(xiàng)重要驗(yàn)證.,天體爆發(fā)引力波源：特點(diǎn)：隨機(jī)性。 超新星爆發(fā)，天體引力坍塌，黑洞合并等。 隨機(jī)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(duì)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(duì)物質(zhì)的穿透能力極強(qiáng)，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(chēng)）本身不輻射引力波，但黑洞在產(chǎn)生或兩個(gè)黑洞合并（碰撞）的過(guò)程中將強(qiáng)烈地輻射引力波。,借助美國(guó)宇航局的“錢(qián)德拉”X射線(xiàn)望遠(yuǎn)鏡，由德國(guó)、荷蘭和美國(guó)等國(guó)天文學(xué)家組成的一個(gè)研究小組首次證實(shí)，兩個(gè)巨型黑洞可以同時(shí)共存于一個(gè)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(xiàn)索。 天文學(xué)家們預(yù)測(cè)說(shuō)，新發(fā)現(xiàn)的兩個(gè)黑洞有可能在未來(lái)幾億年中互相靠攏，最終合并為一個(gè)更為巨大的黑洞，并釋放出極其強(qiáng)大的引力波。,4.2 人工源 根據(jù)引力場(chǎng)方程可以引力場(chǎng)人工造源,但目前都還僅限于理論方面，不足以引起可觀(guān)察的效應(yīng)。 電磁場(chǎng)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(shí)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(huì)有引力輻射。,在實(shí)驗(yàn)室條件下的一個(gè) 估算：,目前的實(shí)驗(yàn)精度無(wú)法測(cè)量！,意大利科學(xué)家宣稱(chēng)第一次捕捉到宇宙黑洞引力波,意大利國(guó)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(guò)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(shí)，這將證實(shí)愛(ài)因斯坦相對(duì)論的最后一個(gè)重要推論。 他們的探測(cè)器類(lèi)型屬于共振型引力波天線(xiàn)。