引力波和引力波望远镜的发展

简要回顾了广义相对论中相关的引力波理论，讨论了对引力波进行探测的重要意义和几种可能的途径；系统介绍了近50年来国际上对引力波进行探测的主要活动，以及当前几个具有代表性的引力波望远镜工程的进展。     

引力波、引力波源和引力波探测实验

引力波是爱因斯坦和其他物理学家提出的关于广义相对论的四大预言之一。除了PSR1913＋16引力辐射阻尼的观测提供了引力波存在的间接证据外，科学家至今仍没有在实验室中确证引力波的存在。由于人类目前的技术水平还不可能在实验室中产生强度可供探测的引力波，而宇宙中存在大量大质量，高速运动的天体，有可能产生较强的引力波，天体引力波源自然成为现阶段科学家研究引力波的首选。本文介绍广义相对论框架下预言的引力波性质，引力波探测的理论依据，共振型棒式天线和激光干涉仪两大类探测器的基本原理，引力波探测实验的现状和面临的困难，科学家采取的对策，以及爆发型和连续型两类天体引力波源。最后介绍了正在计划中的几个引力波探测空间实验。     

引力波、引力波源和引力波探测实验

引力波是爱因斯坦和其他物理学家提出的关于广义相对论的四大预言之一。除了PSR1 91 3 + 1 6引力辐射阻尼的观测提供了引力波存在的间接证据外 ,科学家至今仍没有在实验室中确证引力波的存在。由于人类目前的技术水平还不可能在实验室中产生强度可供探测的引力波 ,而宇宙中存在大量大质量、高速运动的天体 ,有可能产生较强的引力波 ,天体引力波源自然成为现阶段科学家研究引力波的首选。本文介绍广义相对论框架下预言的引力波性质 ,引力波探测的理论依据 ,共振型棒式天线和激光干涉仪两大类探测器的基本原理 ,引力波探测实验的现状和面临的困难 ,科学家采取的对策 ,以及爆发型和连续型两类天体引力波源。最后介绍了正在计划中的几个引力波探测空间实验     

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。     

LIGO的O1/O2引力波事件对Einstein-aether理论限制能力探讨

广义相对论是继牛顿万有引力理论后,在强引力场、强动态时空区域更精准的引力理论,大量的天文观测验证了广义相对论的正确性.但广义相对论与量子理论在逻辑体系上不相容,广义相对论还存在时空奇点的理论问题,宇宙学中还存在暗物质和暗能量的引力本质问题等.在使用Yunes等人提出的Einstein-aether理论修改引力波模板的基...     

黑洞证认的新进展

黑洞是广义相对论的一个重要理论问题，它的存在与否一直是物理学家和天文学家关心的焦点。特别是由于近几年大量先进的观测设备投入使用和观测方法的改进，使得黑洞证认工作有了巨大的进展，成为当今天文学的一个热点。重点综述了恒星级黑洞和星系核的超大质量黑洞的各种天文观测证据，并介绍了与黑洞相关的天体物理学的一些重要前沿。讨论了正在开展的国际重大项目和探索原初黑洞的初步结果，并且展望了未来寻找黑洞天文观测证据的前景和对观测研究的建议。     

KAGRA引力波探测器中频率相关压缩态实验进展

随着技术的发展,下一代引力波探测器的激光功率将得到进一步提高。大光斑半径的应用也将使探测器的热噪声进一步降低,因此,量子噪声将成为在全频段限制引力波探测器灵敏度的首要因素。作为目前最有保障的一种降低量子噪声的技术,频率相关压缩态很可能将被应用于下一代所有引力波探测器中^[1]。频率相关压缩态可以通过将频率不相关压缩态与滤波腔相结合而产生。基于滤波腔具有的频率响应特性,这一技术的应用可以使低频波段的辐射压噪声有效降低,同时实现高频波段散粒噪声的降低,从而实现全探测频段灵敏度的提升。基于日本KAGRA引力波探测器的设计,我们预计将9dB压缩度的压缩态与周损失为8×10^-5的300m滤波腔相结合,可以使探测器灵敏度在全探测频段提高1倍。此实验于2015年开始,目前滤波腔的安装调试已经基本完成,得到的结果基本与实验前的模拟相符合。与频率不相关压缩态光学实验台的安装过程也已经过半,通过温度和控制回路的调制,二次谐波腔的转化率已经超过50%。     

时空的圆舞曲引力波

2015年9月14日,美国激光干涉引力波天文台(LIGO)捕捉到了距离地球13亿光年外的一对双黑洞并合产生的引力波信号(GW150914)。经过长达数月的数据分析,LIGO团队确证了激光干涉仪在该引力波信号穿过时产生的大约是一亿亿分之一厘米尺度的振荡变化,并于2016年2月11日对外公布了这项惊人发现。这是人类首次直接探测到爱因斯坦广义相对论预言的引力波信号,并证实了双黑洞的存在。引力波探测器为探测宇宙提供了不同于电磁波(光)的全新方法,现在我们不仅能用望远镜“看”缤纷多彩的宇宙,还能用引力波探测器“听”波澜壮阔的宇宙。2017年的诺贝尔物理学奖也因此颁给了对引力波探测作出杰出贡献的三位物理学家:雷纳·韦斯(Rainer Weiss)、基普·索恩(Kip Stephen Thorne)和巴里·巴里什(Barry Clark Barish)。     

SS433研究的新进展

SS433是银河系内一个著名的高能天体,W50是它周围的超新星遗迹,自20世纪70年代末SS433的运动模型建立以来,已经受到了越来越多的关注,取得了丰富的多波段观测资料。但是,直到现在,关于这一系统的一些基本性质和参数还存在相当大的争论。该文介绍了关于SS433研究的某些新进展,主要包括SS433的运动模型和喷流的膨胀冷却模型,SS433的物质损失,各种时标的光变和喷流的结构,并对关于SS433研究的热点问题作了总结与展望。     

宇宙常数Λ≠0的平面引力波

本文讨论了宇宙常数Λ≠0时的平面引力波问题。在弱场近似下,得到了平面引力波传播方程及色散方程。通过对Kretschmann曲率标量的讨论发现,不同于Λ=0时h_(μv)仅有横场这一众所周知的结果,Λ<0时不存在一个坐标系,使h_(μv)的标量场、纵场、混合场分量全为零。最后讨论引力波辐射,结论是与Λ=0时无偶极辐射这一结果不同,Λ<0时,混合场的辐射有偶极辐射。     

引力透镜的基本原理及最新研究进展

介绍了引力透镜的基本原理，并针对不同情况，结合目前的观测结果对强透镜、弱透镜和微透镜分别作了系统的说明；特别阐述了近年来正在兴起的宇宙剪切的观测和理论研究，总结了引力透镜在宇宙学研究中的重要意义。     

Gravitational waves: The future of black hole physics

The new millennium will witness the operation of several long-baseline ground-based interferometric detectors, possibly a space-based detector too, which will make it possible to directly observe black holes by catching gravitational waves emitted by them during their formation or when they are perturbed or when a binary consisting of black holes in-spirals due to radiation reaction. Such observations will help us not only to test some of the fundamental predictions of Einstein's general relativity but will also give us the unique opportunity to map black hole spacetimes, to measure the masses and spins of black holes and their population, etc.     

Detection of gravitational waves from astrophysical sources

Modern ground-based gravitational-wave antennas designed to detect bursts of gravitational radiation from astrophysical catastrophes are described. Basic antenna characteristics, peculiarities of the noise background in antennas from various sources, and methods of their suppression are presented. The contribution from cosmic rays to the background is estimated. New programs of searching for low-frequency gravitational waves and potentialities for increasing the sensitivity of antennas of new types are briefly described.     

tempo2: a new pulsar timing package – III. Gravitational wave simulation

Analysis of pulsar timing data sets may provide the first direct detection of gravitational waves. This paper, the third in a series describing the mathematical framework implemented into the tempo2 pulsar timing package, reports on using tempo2 to simulate the timing residuals induced by gravitational waves. The tempo2 simulations can be used to provide upper bounds on the amplitude of an isotropic, stochastic, gravitational wave background in our Galaxy and to determine the sensitivity of a given pulsar timing experiment to individual, supermassive, binary black hole systems.     

Gravitational waves from resolvable massive black hole binary systems and observations with Pulsar Timing Arrays

Massive black holes are key components of the assembly and evolution of cosmic structures, and a number of surveys are currently on going or planned to probe the demographics of these objects and to gain insight into the relevant physical processes. Pulsar Timing Arrays (PTAs) currently provide the only means to observe gravitational radiation from massive black hole binary systems with masses  ≳10⁷ M_⊙  . The whole cosmic population produces a stochastic background that could be detectable with upcoming PTAs. Sources sufficiently close and/or massive generate gravitational radiation that significantly exceeds the level of the background and could be individually resolved. We consider a wide range of massive black hole binary assembly scenarios, investigate the distribution of the main physical parameters of the sources, such as masses and redshift, and explore the consequences for PTAs observations. Depending on the specific massive black hole population model, we estimate that on average at least one resolvable source produces timing residuals in the range  ∼5–50 ns  . PTAs, and in particular the future Square Kilometre Array, can plausibly detect these unique systems, although the events are likely to be rare. These observations would naturally complement on the high-mass end of the massive black hole distribution function future surveys carried out by the Laser Interferometer Space Antenna .