引力波引力波源及引力波探测ppt课件

引力波,引力波源及引力波探测主主 讲讲 人人：李李 芳芳 昱昱交流交流Email:fangyulicqu.edu报告题纲n前言：广义相对论的几个经典检验和预言前言：广义相对论的几个经典检验和预言n引力波引力波Einstein广义相对论的预言广义相对论的预言n引力波的检测原理及引力波检测引力波的检测原理及引力波检测n高频引力波探测的一种能够方案引力波的电高频引力波探测的一种能够方案引力波的电动力学呼应动力学呼应n引力波源引力波源n引力波探测的意义和展望引力波探测的意义和展望前言：广义相对论的几个经典检验和预言前言：广义相对论的几个经典检验和预言 1光谱线在引力场中的红移；距引力场源光谱线在引力场中的红移；距引力场源较远处接纳到光的频率较低，缘由：光较远处接纳到光的频率较低，缘由：光“逃逃离引力场源需求做功。离引力场源需求做功。2光线在引力场中的偏折；光线在引力场中的偏折；牛顿实际加上光子概念可以定性解释，但定牛顿实际加上光子概念可以定性解释，但定量结果却总只需观测值的一半。量结果却总只需观测值的一半。3水星进日点的进动；水星进日点的进动；多出来的多出来的43秒百年，牛顿实际加上摄动秒百年，牛顿实际加上摄动修正无法解释。修正无法解释。以上三点均是广义相对论的直接推论以上三点均是广义相对论的直接推论史瓦西解史瓦西解Schwarzschild1916的直接的直接结果。结果。4雷达回波延迟；雷达回波延迟；1964年年Shapiro初次提出。初次提出。地球发出的雷达信号经太阳附近到达另一行星地球发出的雷达信号经太阳附近到达另一行星或飞船，然后前往，丈量信号发出与接纳或飞船，然后前往，丈量信号发出与接纳的时间。与广义相对论的吻合程度非常高。的时间。与广义相对论的吻合程度非常高。5引力辐射；引力辐射；下面专门谈。下面专门谈。6黑洞；等。黑洞；等。在经典物理中是一个在经典物理中是一个“只进不出的东西，仅只进不出的东西，仅由三个物理量质量、电荷、角动量描画，由三个物理量质量、电荷、角动量描画，任何物质一旦掉入，信息就全部消逝。在量子任何物质一旦掉入，信息就全部消逝。在量子实际中黑洞有量子蒸发。实际中黑洞有量子蒸发。关于后面两个预言，目前研讨处于困难期，关于后面两个预言，目前研讨处于困难期，进展缓慢。进展缓慢。1.引力波Einstein广义相对论的预言nMaxwell从实际上预言电磁波的存在从实际上预言电磁波的存在(1865年年)，Hertz发现电磁波发现电磁波(1888利用振荡电偶极子发射利用振荡电偶极子发射EMW，利用共振电偶极子接纳，利用共振电偶极子接纳EMW)。nEinstein1916从实际上预言引力波的存在，从实际上预言引力波的存在，谁去发现引力波呢？谁去发现引力波呢？-“实际家的天堂，实验家实际家的天堂，实验家的地狱？！的地狱？！n 广义相对论引力场方程广义相对论引力场方程n 弱场近似下退化成动摇方程弱场近似下退化成动摇方程4281RRTgGcT爱因斯坦广义相对论的引力场方程 广义相对论是一种把时空构造几何化的引力实际，它以为，物质分布将影响时空的几何构造，而时空构造又会反过来影响物质的分布。g描画时空构造,平直时空为描画物质分布1000010000100001此时的时空构造为平直时空度规再加上一个微扰在无质量时空区域可简化为常见的动摇方程：41612TThGc222210cht与电磁场动摇方程作一比较，作一由此及与电磁场动摇方程作一比较，作一由此及彼的推测，应该可以得到什么？彼的推测，应该可以得到什么？弱场近似下，上述方程退化为：gh3353345ikikDddKcdtdtddtDE反复目的表示求和，每个目的由1到4(时间1维，空间3维)。(3)ikikikjjDx xx x dV 电磁波不存在单极辐射，至少是电偶极辐射；电磁波不存在单极辐射，至少是电偶极辐射；而引力波不存在单极和偶极辐射，至少是质量四而引力波不存在单极和偶极辐射，至少是质量四极矩辐射。因此强度非常弱！极矩辐射。因此强度非常弱！结论：n从实际上预言了引力波的存在，它以光速传播。n 由动摇方程直接导出。n引力波是横波。n 缘由是假定取调和坐标，并假定引力波沿某一方向比如X方向传播，那么它只对Y方向和Z方向的度规呵斥扰动。n不存在单极和偶极引力辐射。n 引力波带有能量，可以被探测，但引力辐射的最低极矩是四极矩，这就是为什么引力波非常弱而难以探测的缘由。2引力波的检测原理及引力波检测n弯曲时空中自在粒子的短程线方程220d xdxdxdtdtdtn两个处于不同短程线上的粒子就构成了一个最简单的引力波检测器。n实验原理：正如电磁场驱动带电粒子一样，处于引力场中的物体也将遭到引力的驱动。可以证明：粒子所组成的环平面与平面引力波的传播方向垂直时，在一个同期内，它将被引力扭曲为下页之图。平面引力波中平面引力波中X型极化和型极化和+型极化对粒子环的作用表示图型极化对粒子环的作用表示图两类引力波探测器两类引力波探测器n共振型棒式天线：共振型棒式天线：n 代表：代表：Weber棒棒(美国美国)n激光干涉仪探测器：激光干涉仪探测器：n 代表：代表：LIGO美国美国n实验安装：悬挂的铝棒重1.4吨压电陶瓷传感器。灵敏度为h2X10-15。n Weber的检测器任务在室温下，来自热运动的噪声会干扰实验结果。目前采用高Q值低内耗铝合金在超低温(10-2K)下任务，任务的引力波频段为1000Hz段，灵敏度为h2X10-21。n缺陷：非共振频段的引力波反响弱；守株待兔式探测需求昂贵的实验维持费用。上世纪上世纪60年代中期，年代中期，J.Weber韦伯教授指点的实韦伯教授指点的实验小组在美国验小组在美国Maryland马里兰大学建成。马里兰大学建成。部分实验结果：n1969年，韦伯(J.Weber)声称探测到了来自银河系中心的引力波，实验结果发表于美国物理评论快报(Physics Review Letter)，但后来相继建成的更高灵敏度的引力波检测器没能反复其结果，因此其结论目前依然未能被科学界接受，以为是噪声而非引力波！n1987年有个小组声称接纳到了来自大麦哲伦星云(属于银河系的近邻星系)中的超新星1987A 迸发时的引力辐射。n这两个结果都由于没有旁证而无法得到公认.位于华盛顿州汉弗德的LIGO观测站,耗资3.6亿美圆，它有强劲的激光器、臂长为4公里长的真空室以及奇快的数据记录器，它和位于路易斯安娜州的姐妹站开场投入运用，用于探测低频(10-4-10-1Hz)引力波，灵敏度10-21。它们可以从地球的震动以及电子噪音中分辨出来自宇宙的引力波。观测到的数据可以用来研讨黑洞的合并、不对称超新星的迸发或者是大质量天体的忽然运动.激光干涉引力波天文台激光干涉引力波天文台LIGO(Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory)美国美国LIGO实践上是一个L形的两个臂长均为四公里的巨型激光干涉仪，探测精度可望分辨出一个氢原子直径的十亿分之一的振荡信号，这也正是探测预期的天文引力波至少所需求的检测精度。假设探测引力波的目的得以实现，它不仅可以证明爱因斯坦广义相对论的最重要、最辉煌和最激动人心的预言引力波的存在，而且将为人类观测宇宙翻开一个崭新的窗口。其原理与传统的迈克尔逊干涉仪完全一样其原理与传统的迈克尔逊干涉仪完全一样,引力波作用将引起两引力波作用将引起两垂直光臂垂直光臂(检验质量检验质量)产生不同的间隔变化，从而改动两束干涉产生不同的间隔变化，从而改动两束干涉光的光程差，经过干涉条纹挪动反映出来！其任务频率下限为光的光程差，经过干涉条纹挪动反映出来！其任务频率下限为10Hz。欧洲宇航局拟建的。欧洲宇航局拟建的LISA任务频率下限为任务频率下限为10-2Hz。n除此之外，英德结合德国汉诺威CEO600、法国和意大利(VIRGO)、日本(东京大学天鼓TAMA方案)都正在或拟建造引力波探测站，但规模都比LIGO小。tech.sina/o/2019-05-20/116089.shtml 特别值得一提的是目前中国科学家正在拟定的“小型激光天文动力学空间方案 Mini ASTROD(Astrodynamical Space Test of Relativity using Optical Devices)，这主要针对欧洲已同意拨款额为10亿欧元的LISALaser Interferometer Space Antenna 方案，主要倡导者台湾新竹清华大学倪维斗教授早期毕业于美国加州大学，终生从事引力和相对论的研讨，在引力实际和引力实验领域中均有所建树。在欧洲LISA方案的根底上，提出了相对投资较少的ASTROD方案。他退休后来到北京中国国家天文任职，积极推进ASTROD方案的实现。ASTROD建成后可以把相对论规律的验证灵敏度提高3个数量级。当然它还有其它很多重要义务，比如精细天文观测、太阳系探测、精细时钟空间飞行器设计等。n引力波探测的主要困难：引力波探测的主要困难：n 1天然引力波信号极弱。平直时天然引力波信号极弱。平直时空度规取空度规取n 1，-1,-1,-1，实际推算以为天，实际推算以为天然的引力波的对度规的扰动仅为然的引力波的对度规的扰动仅为10-30的量级。目前无法人工产生的量级。目前无法人工产生高强度引力波用于实验。高强度引力波用于实验。n 2自然条件与技术程度的局限。自然条件与技术程度的局限。太空噪声，检测设备及检验质量的太空噪声，检测设备及检验质量的热运动噪声，信号转换损失，地面热运动噪声，信号转换损失，地面振动，目前的丈量技术程度等。振动，目前的丈量技术程度等。n 3强引力波源的时间随机性。强引力波源的时间随机性。n 4实际上的缘由。引力波与检测实际上的缘由。引力波与检测质量的作用截面极小；宇宙深处的质量的作用截面极小；宇宙深处的引力波按与间隔平方衰减的规律传引力波按与间隔平方衰减的规律传到地球，衰减多；到地球，衰减多；Einstein预言引预言引力波时运用的弱引力场线性近似等。力波时运用的弱引力场线性近似等。3 3高频引力波探测的一种能够方案高频引力波探测的一种能够方案引力波的电动力学呼应引力波的电动力学呼应n静磁场作“催化剂10-100T；n强激光束高斯光束入射(105V/m)；n线性高频弱引力波假设比如宇宙创生时产生的高频遗址引力波1010Hz；n对电磁场能量密度和能流密度有一阶微扰和二阶微扰。结果阐明：虽然引力子与光子的转化率极低，但引力子对光子的物理行为产生了显著的影响产生了与电磁波原传播方向相垂直的光子流横向光子流。按目前的丈量技术估计，该方案可以探测的引力波振幅为h10-30左右。曲线曲线I普通膨胀模型；曲线普通膨胀模型；曲线II精质暴胀模型精质暴胀模型探测器任务频率区域：探测器任务频率区域：(1)LISA10-7-1Hz，其中包括，其中包括Mini ASTROD(10-6-10-3Hz)；(2)LIGO(1-104Hz)，其中包括微，其中包括微波腔差频呼应波腔差频呼应(103-104Hz)；(3)Weber棒棒(103Hz)；(4)微波腔微波腔基频谐振基频谐振(108-109Hz)；(5)引力波对高斯光束的电磁呼应引力波对高斯光束的电磁呼应(109-1011Hz)。高频段的探测目前还只限于实际方面的任务。高频段的探测目前还只限于实际方面的任务。遗遗址址引引力力波波能能谱谱图图4引力波源4.1 自然源自然源 天体延续引力波源：特点：延续谱，频率较低，源天体延续引力波源：特点：延续谱，频率较低，源比较确定。比较确定。双星系统最理想的是中子双星或黑洞双星双星系统最理想的是中子双星或黑洞双星1993年年Nobel奖颁给两位美国科学家赫尔斯和泰勒，奖颁给两位美国科学家赫尔斯和泰勒，就是奖励他们察看致密双脉冲星就是奖励他们察看致密双脉冲星PSR1913+16获得获得引力辐射的间接证据。引力辐射的间接证据。PSR1913+16双星的观测曾双星的观测曾经给出了引力波存在的间接定量证据，目前引力波经给出了引力波存在的间接定量证据，目前引力波的直接检测已成为现代物理学艰苦课题中的当务之的直接检测已成为现代物理学艰苦课题中的当务之急。急。实际研讨阐明实际研讨阐明:只需由两颗中子星组成的双星体只需由两颗中子星组成的双星体系才有能够检验引力辐射阻尼系才有能够检验引力辐射阻尼.而赫尔斯和泰勒在而赫尔斯和泰勒在1974年底发现的脉冲星年底发现的脉冲星 PSR 1913+16 是目前知的是目前知的双星中独一一个宜于进展引力实际检验的良好体系双星中独一一个宜于进展引力实际检验的良好体系.n在目前曾经发现的大约五百颗脉冲星中,PSR 1913+16 是独一一个由两颗中子星组成的双星系统.n从1974年以后,泰勒和他的协作者不断地分析积累多年的观测资料,确定了该双星系统的轨道参数以及各种相对论效应.n在 1984年发表的结果是:两颗星的质量均为太阳质量的1.4倍,为中子星的典型质量;公转周期的变化率为(-2.400.09)10-12,与广义相对论的引力辐射阻尼实际所预言的完全一致.这是引力波存在的第一个间接定量证据,是对爱因斯坦的广义相对论的一项重要验证.天体迸发引力波源：特点：随机性。超新星迸发，天体引力坍塌，黑洞合并等。随机背景引力波：庞杂天体的引力辐射；构成黑洞前的引力辐射；特别要提到的是针对大爆炸模型提出的精质暴胀模型产生的遗址引力波(Relic GW)，假设大爆炸模型正确，这一成分应该包括。引力波对物质的穿透才干极强，它几乎能携带最古老也是最遥远的宇宙信息。黑洞球对称本身不辐射引力波，但黑洞在产生或两个黑洞球对称本身不辐射引力波，但黑洞在产生或两个黑洞合并碰撞的过程中将剧烈地辐射引力波。黑洞合并碰撞的过程中将剧烈地辐射引力波。借助美国宇航局的“钱德拉X射线望远镜，由德国、荷兰和美国等国天文学家组成的一个研讨小组初次证明，两个巨型黑洞可以同时共存于一个星系之中。这一发现为研讨黑洞和星系的构成等提供了重要线索。天文学家们预测说，新发现的两个黑洞有能够在未来几亿年中相互靠拢，最终合并为一个更为宏大的黑洞，并释放出极其强大的引力波。4.2 人工源根据引力场方程可以引力场人工造源,但目前都还仅限于实际方面，缺乏以引起可察看的效应。电磁场张量EMT(Energy Momentum Tensor)变化可以引起引力辐射G-S(Grishchuk-Sazhin)方案电磁谐振腔,P-R(Pinto-Lotoli)方案高频脉冲源模型,T-L-L(唐孟希，李芳昱，罗俊)的改良方案电介质电磁谐振腔。但距现实依然有较大的间隔主要是尺寸太大108-1010cm3！质量四极矩的三阶导数不为零会有引力辐射。在实验室条件下的一个在实验室条件下的一个 估算：估算：目前的实验精度无法丈量！意大利科学家声称第一次捕捉到宇宙黑洞引力波 意大利国家核物理研讨中心引力波研讨室主任科奇亚教授日前宣布，经过近30年的努力，他们终于初次捕捉到宇宙黑洞的引力波。假设它最终被证明，这将证明爱因斯坦相对论的最后一个重要推论。他们的探测器类型属于共振型引力波天线。tech.sina/o/2019-11-28/0950152649.shtml5.引力波探测的意义和展望引力波探测的意义和展望意义：引力波探测的结果将有助于证明各种引力实际的正确与否。推进引力场量子化的实际研讨，从而为完善物理学“大一致实际做出奉献。展望：棒式天线：大质量(5t)、超低温(100)、高能高稳定性高单色性激光。从地球转移到太空：防止地球引力和地球外表干扰，LISA、ASTROD等。值得思索的问题：探测器的设计思想能否应该思索更新！目前的探测器都源于韦伯的思绪。