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     

引力波理论和实验的新进展

引力波的存在是爱因斯坦在广义相对论理论中提出的一个重要预言．由于目前技术水平的限制,无法在实验室产生足以被探测到的引力波,因此宇宙中大量的大质量剧烈活动的天体成为科学家研究引力波的首选,从而诞生了引力波天文学．引力波探测将开启研究宇宙的新窗口,是继电磁辐射、宇宙线和中微子探测后探索宇宙奥秘的又一重要手段,对天文学研究有着极为重要的意义.新一代应用了高灵敏度的迈克耳逊干涉仪装置的长基线引力波探测仪正在建造中．该综述从引力波理论出发,阐述了目前研究较多的可探测引力波源,给出了目前观测上的最新进展,并展望了今后的发展前景．     

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)。     

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。     

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.     

引力波引起的脉冲星计时残差模拟与分析

为了能将引力波引起的脉冲星计时残差从总的脉冲星计时残差中分离出来,我们介绍了3种形式的引力波(单一持续的引力波、单一瞬时的引力波和随机引力波背景)及其对脉冲星计时残差的影响,并利用脉冲星计时处理软件Tempo2进行了模拟,对模拟得到的这三种引力波源引起的脉冲星计时残差进行了分析比较。该工作在脉冲星时间尺度的建立及其应用方面具有参考意义。     

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。     

引力波数据分析

以引力波探测为基础的引力波天文学是一门正在崛起的新兴交叉学科,它是继以电磁辐射为探测手段的传统天文学之后,人类观测宇宙的一个新窗口,对研究宇宙的起源和演化,拓展天文学的研究领域都有极其重要的意义。激光干涉引力波探测器的出现,更开辟了引力波探测的新纪元。引力波数据处理与分析已在世界各地迅速发展起来,为引力波天文学的研究提供了锐利的武器。系统地介绍了引力波数据分析中常用的工具软件,详细讨论了时间-频率分析、复合分析法、脉冲星计时分析法、匹配过滤器、模板、χ~2检验、蒙特卡罗模拟等引力波数据分析中使用的基本方法。     

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%。     

Design of ASTROD-GW Orbit

The ASTROD-GW (ASTROD [Astrodynamical Space Test of Relativity Using Optical Devices] Optimized for Gravitation Wave Detection), the mission of the laser astrodynamical gravitational wave detection, is the scheme of optimality of the gravitational wave detection on which the ASTROD is concentrated. Its spacecraft orbits form a triangular array close to an equilateral triangle in the vicinity of the solar-terrestrial Lagrangian points L₃, L₄ and L₅. The length of the interference arm is about 2.6 × 10⁸ km and the detectable wavelength of the gravitational wave is 52 times larger than that detected by the LISA (Laser Interferometer Space Antenna). In this article, the design and optimization method of the ASTROD-GW orbit are summarized. After the orbit is optimized, the variation in the arm length difference (which can be called the interference difference in laser interferometry) within 10 years is in the order of magnitude of 10⁻⁴ AU. The Doppler velocities in the three arm length directions are smaller than 4 m/s, and all of them are less than that required by the LISA. Therefore the laser ranging techniques developed by the LISA can be applied to the ASTROD-GW.     

KAGRA引力波探测器中蓝宝石测试镜光学性质研究

低温制冷技术是下一代激光干涉仪引力波探测器的核心技术之一. 日本引力波探测器KAGRA (Kamioka Gravitational Wave Detector)作为该技术的前沿开拓者, 将运行在20K的超低温环境中, 并使用在低温下热噪声较低的单晶蓝宝石晶体作为测试镜. 然而, 高质量大尺寸低吸收率的蓝宝石晶体极难制备. 此外, 由于蓝宝石晶体存在晶格结构不均匀, 很容易导致不必要的双折射效应, 从而影响探测器的目标灵敏度. 基于上述问题, 开发了两套大尺寸光学测量系统, 首次系统研究了KAGRA低温蓝宝石测试镜的光学特性. 首先, 根据探测器对测试镜热噪声的要求, 开发了一套基于光热共光路干涉技术的光学测量系统, 该系统可对测试镜以及测试镜表面涂层的光学吸收进行有效的表征. 其次, 基于光学吸收测量系统, 开发了一套双折射效应测量系统, 该系统可以有效表征测试镜中双折射的均匀性. 目前两套测量系统的搭建与调试已完成, 对蓝宝石测试镜光学吸收的测量灵敏度达到了1.5ppm/cm, 双折射测量系统的空间分辨率小于0.3mm times 0.3mm. 该工作对降低大尺寸低温测试镜双折射效应及提高探测器灵敏度具有重要意义.     

Dark Matter Objects: Possible New Source of Gravitational Waves

Gravitational waves from mergers of black holes and neutron stars are now being detected by LIGO. Here we look at a new source of gravitational waves, i.e., a class of dark matter objects whose properties were earlier elaborated. We show that the frequency of gravitational waves and strains on the detectors from such objects (including their mergers) could be within the sensitivity range of LIGO. The gravitational waves from the possible mergers of these dark matter objects will be different from those produced by neutron star mergers in the sense that they will not be accompanied by electromagnetic radiation since dark matter does not couple with radiation.

     

Gravitational waves from compact objects

Large ground-based laser beam interferometers are presently in operation both in the USA(LIGO) and in Europe(VIRGO) and potential sources that might be detected by these instruments are revisited.The present generation of detectors does not have a sensitivity high enough to probe a significant volume of the universe and,consequently,predicted event rates are very low.The planned advanced generation of interferometers will probably be able to detect,for the first time,a gravitational signal.Advanced LIGO and...     

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。     

双星系统中大质量比致密天体质量四极矩对轨道频率的影响分析

极端质量比旋进系统是空间引力波探测器最重要的波源之一。对引力波的探测需要高精度波形模版。当前主流的极端质量比旋进系统引力波计算模型中,人们一般将小质量天体当作试验粒子进行计算,而忽略了其结构及自身引力对背景引力场的影响。利用Mathisson-Papapetrou-Dixon方程研究延展体在弯曲时空中的运动,以及小天体自旋和质量多极矩对引力波信号识别产生的影响。结果表明,质量比在10?6-10?4范围的旋进系统,其自旋达到很大时,自旋对延展体的轨道运动有不可忽略的影响;在质量比10?4-10?2区间内,需要考虑中心黑洞潮汐作用导致的白矮星形变;在质量比大于10?4,且白矮星自旋很大时,其自旋产生的形变会对小天体轨道运动产生不可忽略的影响。大质量黑洞潮汐作用导致的恒星级黑洞或中子星产生的形变可以忽略,中子星和黑洞的自旋会对轨道运动产生不可忽略的影响,而自旋产生的四极矩对轨道运动不产生影响。     

Exponential metric fields

The Laser Interferometer Space Antenna (LISA) mission will use advanced technologies to achieve its science goals: the direct detection of gravitational waves, the observation of signals from compact (small and dense) stars as they spiral into black holes, the study of the role of massive black holes in galaxy evolution, the search for gravitational wave emission from the early Universe. The gravitational red-shift, the advance of the perihelion of Mercury, deflection of light and the time delay of radar signals are the classical tests in the first order of General Relativity (GR). However, LISA can possibly test Einstein’s theories in the second order and perhaps, it will show some particular feature of non-linearity of gravitational interaction. In the present work we are seeking a method to construct theoretical templates that limit in the first order the tensorial structure of some metric fields, thus the non-linear terms are given by exponential functions of gravitational strength. The Newtonian limit obtained here, in the first order, is equivalent to GR.