引力波引力波源及引力波探測

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1、引力波,引力波源及引力波探測主講人：李芳昱交流Email:fangyuli@cqu.edu.cn報(bào)告題綱前言：廣義相對論的幾個(gè)經(jīng)典檢驗(yàn)和預(yù)言引力波－Einstein廣義相對論的預(yù)言引力波的檢測原理及引力波檢測高頻引力波探測的一種可能方案－－引力波的電動(dòng)力學(xué)響應(yīng)引力波源引力波探測的意義和展望前言：廣義相對論的幾個(gè)經(jīng)典檢驗(yàn)和預(yù)言1．光譜線在引力場中的紅移；距引力場源較遠(yuǎn)處接收到光的頻率較低，原因：光“逃離”引力場源需要做功。2．光線在引力場中的偏折；牛頓理論加上光子概念可以定性解釋，但定量結(jié)果卻總只有觀測值的一半。3．水星進(jìn)日點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)；多出來的43秒／百年，牛頓理論加上攝動(dòng)修

2、正無法解釋。以上三點(diǎn)均是廣義相對論的直接推論－－史瓦西解（Schwarzschild1916）的直接結(jié)果。4．雷達(dá)回波延遲；1964年Shapiro首次提出。地球發(fā)出的雷達(dá)信號(hào)經(jīng)太陽附近到達(dá)另一行星（或飛船），然后返回，測量信號(hào)發(fā)出與接收的時(shí)間。與廣義相對論的吻合程度非常高。5．引力輻射；下面專門談。6．黑洞；等。在經(jīng)典物理中是一個(gè)“只進(jìn)不出”的東西，僅由三個(gè)物理量－－質(zhì)量、電荷、角動(dòng)量描述，任何物質(zhì)一旦掉入，信息就全部消失。在量子理論中黑洞有量子蒸發(fā)。關(guān)于后面兩個(gè)預(yù)言，目前研究處于艱難期，進(jìn)展緩慢。1.引力波－Einstein廣義相對論的預(yù)言Maxwell從理論上預(yù)言電磁

3、波的存在(1865年)，Hertz發(fā)現(xiàn)電磁波(1888—利用振蕩電偶極子發(fā)射EMW，利用共振電偶極子接收EMW)。Einstein（1916）從理論上預(yù)言引力波的存在，誰去發(fā)現(xiàn)引力波呢？----“理論家的天堂，實(shí)驗(yàn)家的地獄”？？??！廣義相對論引力場方程弱場近似下退化成波動(dòng)方程愛因斯坦廣義相對論的引力場方程廣義相對論是一種把時(shí)空結(jié)構(gòu)幾何化的引力理論，它認(rèn)為，物質(zhì)分布將影響時(shí)空的幾何結(jié)構(gòu)，而時(shí)空結(jié)構(gòu)又會(huì)反過來影響物質(zhì)的分布。－－描述時(shí)空結(jié)構(gòu),平直時(shí)空為－－描述物質(zhì)分布此時(shí)的時(shí)空結(jié)構(gòu)為平直時(shí)空度規(guī)再加上一個(gè)微擾在無質(zhì)量時(shí)空區(qū)域可簡化為常見的波動(dòng)方程：與電磁場波動(dòng)方程作一比較，作一

4、由此及彼的推測，應(yīng)該能夠得到什么？弱場近似下，上述方程退化為：重復(fù)指標(biāo)表示求和，每個(gè)指標(biāo)由1到4(時(shí)間1維，空間3維)。電磁波不存在單極輻射，至少是電偶極輻射；而引力波不存在單極和偶極輻射，至少是質(zhì)量四極矩輻射。因此強(qiáng)度非常弱！結(jié)論：從理論上預(yù)言了引力波的存在，它以光速傳播。由波動(dòng)方程直接導(dǎo)出。引力波是橫波。原因是假定取諧和坐標(biāo)，并假定引力波沿某一方向（比如X方向）傳播，則它只對Y方向和Z方向的度規(guī)造成擾動(dòng)。不存在單極和偶極引力輻射。引力波帶有能量，可以被探測，但引力輻射的最低極矩是四極矩，這就是為什么引力波非常弱而難以探測的原因。2．引力波的檢測原理及引力波檢測彎曲時(shí)空中

5、自由粒子的短程線方程兩個(gè)處于不同短程線上的粒子就構(gòu)成了一個(gè)最簡單的引力波檢測器。實(shí)驗(yàn)原理：正如電磁場驅(qū)動(dòng)帶電粒子一樣，處于引力場中的物體也將受到引力的驅(qū)動(dòng)?？梢宰C明：粒子所組成的環(huán)平面與平面引力波的傳播方向垂直時(shí)，在一個(gè)同期內(nèi)，它將被引力扭曲為下頁之圖。平面引力波中X型極化和+型極化對粒子環(huán)的作用示意圖兩類引力波探測器共振型棒式天線：代表：Weber棒(美國)激光干涉儀探測器：代表：LIGO（美國）實(shí)驗(yàn)裝置：懸掛的鋁棒（重1.4噸）＋壓電陶瓷傳感器。靈敏度為h~2X10-15。Weber的檢測器工作在室溫下，來自熱運(yùn)動(dòng)的噪聲會(huì)干擾實(shí)驗(yàn)結(jié)果。目前采用高Q值低內(nèi)耗鋁合金在超低溫

6、(10-2K)下工作，工作的引力波頻段為~1000Hz段，靈敏度為h~2X10-21。缺點(diǎn)：非共振頻段的引力波反應(yīng)弱；守株待兔式探測需要昂貴的實(shí)驗(yàn)維持費(fèi)用。上世紀(jì)60年代中期，J.Weber（韋伯）教授領(lǐng)導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)小組在美國Maryland（馬里蘭）大學(xué)建成。部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果：1969年，韋伯(J.Weber)宣稱探測到了來自銀河系中心的引力波，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)表于美國物理評論快報(bào)(PhysicsReviewLetter)，但后來相繼建成的更高靈敏度的引力波檢測器沒能重復(fù)其結(jié)果，因此其結(jié)論目前仍然未能被科學(xué)界接受，認(rèn)為是噪聲而非引力波！1987年有個(gè)小組聲稱接收到了來自大麥哲倫星云(屬

7、于銀河系的近鄰星系)中的超新星1987A爆發(fā)時(shí)的引力輻射。這兩個(gè)結(jié)果都因?yàn)闆]有旁證而無法得到公認(rèn).位于華盛頓州漢弗德的LIGO觀測站,耗資3.6億美元，它有強(qiáng)勁的激光器、臂長為4公里長的真空室以及奇快的數(shù)據(jù)記錄器，它和位于路易斯安娜州的姐妹站開始投入使用，用于探測低頻(10-4-10-1Hz)引力波，靈敏度~10-21。它們能夠從地球的震動(dòng)以及電子噪音中分辨出來自宇宙的引力波。觀測到的數(shù)據(jù)可以用來研究黑洞的合并、不對稱超新星的爆發(fā)或者是大質(zhì)量天體的突然運(yùn)動(dòng).激光干涉引力波天文臺(tái)LIGO(LaserInterfero