引力波引力波源及引力波探测.ppt
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1、引力波,引力波源 及引力波探测,主 讲 人 : 李 芳 昱 交流Email: ,报告题纲,前言:广义相对论的几个经典检验和预言 引力波Einstein广义相对论的预言 引力波的检测原理及引力波检测 高频引力波探测的一种可能方案引力波的电动力学响应 引力波源 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 1光谱线在引力场中的红移;距引力场源较远处接收到光的频率较低,原因:光“逃离”引力场源需要做功。 2光线在引力场中的偏折; 牛顿理论加上光子概念可以定性解释,但定量结果却总只有观测值的一半。 3水星进日点的进动; 多出来的43秒百年,牛顿理论加上摄动修正无法解释。 以上三点均是广
2、义相对论的直接推论史瓦西解(Schwarzschild1916)的直接结果。,4雷达回波延迟;1964年Shapiro首次提出。地球发出的雷达信号经太阳附近到达另一行星(或飞船),然后返回,测量信号发出与接收的时间。与广义相对论的吻合程度非常高。 5引力辐射; 下面专门谈。 6黑洞;等。 在经典物理中是一个“只进不出”的东西,仅由三个物理量质量、电荷、角动量描述,任何物质一旦掉入,信息就全部消失。在量子理论中黑洞有量子蒸发。 关于后面两个预言,目前研究处于艰难期,进展缓慢。,1. 引力波Einstein广义相对论的预言,Maxwell从理论上预言电磁波的存在(1865年),Hertz发现电磁波
3、(1888利用振荡电偶极子发射EMW,利用共振电偶极子接收EMW)。 Einstein(1916)从理论上预言引力波的存在,谁去发现引力波呢?-“理论家的天堂,实验家的地狱”?! 广义相对论引力场方程 弱场近似下退化成波动方程,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结构几何化的引力理论,它认为,物质分布将影响时空的几何结构,而时空结构又会反过来影响物质的分布。,描述时空结构,平直时空为,描述物质分布,此时的时空结构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波动方程:,与电磁场波动方程作一比较,作一由此及彼的推测,应该能够得到什么?,弱场近似下,上述方程退化为:
4、,重复指标表示求和,每个指标由1到4(时间1维,空间3维)。,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,至少是质量四极矩辐射。因此强度非常弱!,结论:,从理论上预言了引力波的存在,它以光速传播。 由波动方程直接导出。 引力波是横波。 原因是假定取谐和坐标,并假定引力波沿某一方向(比如X方向)传播,则它只对Y方向和Z方向的度规造成扰动。 不存在单极和偶极引力辐射。 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原因。,2引力波的检测原理及引力波检测,弯曲时空中自由粒子的短程线方程,两个处于不同短程线上的粒子就构成了一个最
5、简单的引力波检测器。 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受到引力的驱动。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X型极化和+型极化对粒子环的作用示意图,两类引力波探测器,共振型棒式天线: 代表:Weber棒(美国) 激光干涉仪探测器: 代表:LIGO(美国),实验装置:悬挂的铝棒(重1.4吨)压电陶瓷传感器。灵敏度为h2X10-15。 Weber的检测器工作在室温下,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)下工作,工作的引力波频段为1000Hz段,灵敏度为h
6、2X10-21。 缺点:非共振频段的引力波反应弱;守株待兔式探测需要昂贵的实验维持费用。,上世纪60年代中期, J. Weber(韦伯)教授领导的实验小组在美国Maryland(马里兰)大学建成。,部分实验结果:,1969年,韦伯(J. Weber)宣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重复其结果,因此其结论目前仍然未能被科学界接受,认为是噪声而非引力波! 1987年有个小组声称接收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 爆发时的引力辐射。 这两个结
7、果都因为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3.6亿美元,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始投入使用,用于探测低频(10-4-10-1Hz)引力波,灵敏度10-21。它们能够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究黑洞的合并、不对称超新星的爆发或者是大质量天体的突然运动.,激光干涉引力波天文台LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory)(美国),LIGO实际上是一个L形的两个臂长均为四公里的巨型激光干
8、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要的检测精度。如果探测引力波的目标得以实现,它不仅可以证实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打开一个崭新的窗口。,其原理与传统的迈克尔逊干涉仪完全相同,引力波作用将引起两垂直光臂(检验质量)产生不同的距离变化,从而改变两束干涉光的光程差,通过干涉条纹移动反映出来!其工作频率下限为10Hz。欧洲宇航局拟建的LISA工作频率下限为10-2Hz。,除此之外,英德联合(德国汉诺威CEO600)、法国和意大利(VIRGO)、日本(东京大学天鼓TAMA计划)
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- 引力 波源 探测
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