引力波引力波源及引力波探测

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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:fangyuli@cqu.edu.cn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

2、正无法解释。以上三点均是广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

3、波的存在(1865年)，Hertz发现电磁波(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

4、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：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

5、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h~2X10-15。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

6、(10-2K)下工作，工作的引力波频段为~1000Hz段，灵敏度为h~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(PhysicsReviewLetter)，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

7、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(LaserInterfero