引力波与引力波源

引力波爆发事件GW150914的发现,标志着引力波天文学时代的到来,它为人类打开了全新的窗口来研究强引力场、极致密天体、极高能过程、极早期宇宙等极端物理过程和现象。介绍广义相对论中引力波的基本性质、观测效应以及主要的产生机制。并着重介绍宇宙中的几类比较重要的引力波源的主要性质、探测方法,以及探测现状和未来展望。具体包括:旋转的中子星、稳定的双星系统等连续的引力波源,超新星爆发、双星并合等爆发式的引力波源,以及天体物理过程和宇宙暴胀产生的随机引力波背景。     

双黑洞系统的不同起源及其参数分布

双黑洞组成的近密双星系统并合是激光干涉仪引力波天文台等地基引力波探测器的主要探测对象。随着探测器灵敏度的提高,大量该类信号的探测将成为进一步研究黑洞物理的有效工具。但是目前对双黑洞系统的起源机制和内禀参数分布等物理问题的研究还不够深入,例如由引力波探测得到的黑洞质量分布与X射线双星观测的结果存在较大差异,还未有很好的理论模型可解释该结果。目前普遍认为双黑洞系统主要有两种起源:大质量双星演化机制和动力学起源机制。基于这两类起源的双黑洞系统在质量、自旋分布等方面存在差异。因此可在贝叶斯理论框架下,利用引力波信号携带的波源质量和自旋等信息,推断波源起源,计算不同起源的双黑洞系统所占比例,以及检验质量自旋等参数分布的差异。     

相对论自旋动力学系统的数值研究

<正>自旋致密双星是宇宙中的重要研究对象.其中,由恒星级致密天体绕转超大质量黑洞构成的极端质量比旋进系统(EMRIs)是美国宇航局LISA引力波探测计划的首选目标源之一,对其研究和观测不仅可以直接检验广义相对论的引力波预言,测量中央黑洞的质量和自旋,还可以揭示黑洞视界附近的基本物理性质,具有重要的物理和天体物理意义.     

世界引力波探测网的现状

引力波是广义相对论的重要推论之一,迄今为止尚未被直接探测到。上世纪末共振棒引力波探测网曾联合运行.历经十余年的努力,世界激光干涉引力波探测网已经初步形成。今后一、两年将会同步运行。最新的关于中子双星的天文观测和分析给引力波探测带来了希望。     

脉冲双星加速度搜索方法及软件改进

毫秒脉冲星对引力波探测、太空导航等具有重要意义.通过引证ATNF(Australia Telescope National Facility)数据库,指出双星系统与毫秒脉冲星存在密切关系.分析了500 m口径球面射电望远镜(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Tele...     

稳定物质转移通道形成双黑洞

由于缺乏足够的观测数据,大质量恒星的研究进展缓慢,到目前为止大质量恒星演化和黑洞详细的形成过程还存在较大争议。LIGO首次探测到恒星级双黑洞并合产生的引力波信号,这不但验证了爱因斯坦20世纪的预言,而且还证实了大质量双黑洞的存在。研究工作采用恒星演化程序MESA (Modules for Experiments in Stellar Astrophysics)计算孤立双星的演化,主星初始质量为20 M⊙～80 M⊙,金属丰度为0.000 1～0.002,初始双星质量比为0.7～0.9。双星系统通过稳定物质转移通道,形成总质量(15～110) M⊙范围内的双黑洞。形成双黑洞的并合时标强烈依赖于初始轨道周期,只有初始轨道周期不大于5 d的双星系统演化形成的双黑洞,通过引力波辐射损失角动量,最终可能在哈勃时标内并合。研究工作得到的结果可以解释部分现阶段已经探测到的引力波事件。     

恒星级双黑洞自旋研究进展

自2015年以来,人们已经探测到93例恒星级双黑洞并合引力波事件,测量了双黑洞质量、自旋和距离等参数,并获得了其统计分布。不同双黑洞起源机制产生的双黑洞性质分布,特别是自旋分布,会显著不同,其可用来限制双黑洞起源。简单回顾了双星演化和动力学相互作用等双黑洞形成机制及自旋来源;综述了利用自旋限制双黑洞起源的一般方法和常见模型,以及利用LIGO/Virgo引力波数据取得的相关进展,并对未来发展前景进行了展望。     

OJ 287的引力波辐射研究

类星体OJ 287的研究已经有100多年的历史,它呈现周期性双峰爆发现象,爆发周期为12 yr,比较好地解释观测的模型是双黑洞模型,即次黑洞绕主黑洞运动,并撞击主黑洞吸积盘从而引起爆发.此模型合理地解释了OJ 287的光变曲线并正确预言了未来爆发时间,这间接证明了广义相对论进动效应以及引力波的存在.星系中心大质量黑洞是一类重要的引力波源,而精确确定了其内部组分运动学方程的星系非常少,由于双黑洞模型提供了精确的黑洞运动轨道,故可以在这个运动轨道基础上研究其引力波辐射.在已有工作基础上,采用后牛顿近似方法首次得到了引力波辐射功率和波形随时间的演化关系,根据目前引力波探测设备IPTA(International Pulsar Timing Array)的进展情况,未来十几年内对OJ 287的引力波直接探测将成为可能.     

空间激光干涉引力波探测与早期宇宙结构形成

空间引力波探测是研究宇宙早期恒星演化和星系形成、黑洞和星系的共同成长等天文学和宇宙学重大问题的一条重要可能途径。经过两期科学院先导科技专项空间科学预研究课题的开展,通过权衡技术的可行性与科学的前瞻性,选择以高红移开始的中至大质量双黑洞并合系统、星团等稠密动力学环境中涉及中等质量黑洞的双黑洞引力波波源为主要科学目标,给出了我国毫赫兹至赫兹频段空间引力波探测任务计划的初步设计。以该任务设计建议为依据,简要介绍空间引力波探测及其作为一种新的天文观测手段的科学内涵,以及我国空间引力波探测任务设计的科学目标和探测潜力。     

带电测试粒子在磁化史瓦西黑洞中的混沌运动

当史瓦西黑洞周围存在渐近均匀的外部磁场时, 描述带电粒子在史瓦西黑洞附近运动的哈密顿系统会变为不可积系统. 类似于这样的相对论哈密顿系统不存在有显式分析解的2部分分离形式, 给显式辛算法的构建和应用带来困难. 近一年以来的系列工作提出将相对论哈密顿系统分解为具有显式分析解的2个以上分离部分形式, 成功解决了许多相对论时空构建显式辛算法的难题. 最近的工作回答了哈密顿系统显式可积分离数目对长期数值积分精度有何影响、哪种显式辛算法有最佳长期数值性能这两个问题, 指出哈密顿有最小可积分离数目即3部分分裂解形式并且应用于优化的4阶分段龙格库塔显式辛算法可取得最好精度. 由此选择上述数值积分方法并利用庞加莱截面、最大李雅普诺夫指数和快速李雅普诺夫指标研究在磁化史瓦西黑洞附近运动的带电粒子轨道动力学. 结果显示: 针对某特定的粒子能量和角动量, 较小的外部磁场很难形成混沌轨道; 较大的正磁场参数容易使轨道产生混沌, 并且随着磁场的增大, 轨道的混沌程度也随之加强; 粒子能量适当变大也可以加剧混沌程度, 但负磁场参数和粒子角动量变大都会减弱混沌.