宇宙残余引力波和双星引力辐射
引力波
激光干涉引力波观测台
激光干涉引力波天文台，缩写为LIGO。是美国分别在路易斯 安那州的列文斯顿和华盛顿州的汉福德建造的两个引力波探 测器。
引力波是爱因斯坦广义相对论所预言的一种以光速传播的
时空波动。通常引力波都很低，宇宙中大质量天体的加速、 碰撞和合并等事件才可以形成强大的引力波，但由于波源超 远距离，引力波传播到地球时变得非常微弱。因此需要超高 灵敏度的仪器才有可能对引力波进行探测。 原理：两条激光在管道内来回反射，路程增加，会产生干 涉条纹；引力波使光程发生变化，因此激光干涉条纹就会出 现变化。
引力波发现的意义
探测引力波意义重大，从科学意义上看， 引力波可以直接与宇宙大爆炸连接。广义相对 论中预言的引力波也可以产生于宇宙大爆炸中， 这就是说大爆炸之初的引力波在 137 亿年后的 今天仍然可以探测到。一旦发现了宇宙大爆炸 时期的引力波，就有可能揭开宇宙的各种谜团， 甚至或许能了解宇宙的开端和运行机制。
谢谢
人类探索引力波的过程
1959年，美国科学家韦伯教授用精密仪器探测到了引力波， 但经过其他国家科学家实验，最终未得到证实。 1980年，美国科学家泰勒等人，靠着射电望远镜，发现了一 个双星体系----脉冲射电源PSR191316。按照广义相对论， 双星互相绕转发出引力辐射，它们的轨道周期就会因此而变 短，（PSR1913 16）的变化率为-2.6*10^12。与广义相对 论所预言的结果相当接近。因此，泰勒等人的发现成为了人 类首次间接定量发现了引力波的证据。 2014年3月17日，美国科学家首次直接探测到宇宙大爆炸第 一波震荡，即原始引力波。 2016年 2 月11日 23 点30分，（美国）物理学家，宣布人类 首次直接探测到引力波。
•引力波
引力波简介
哈勃拍到宇宙尽头让人毛骨悚然
哈勃拍到宇宙尽头让人毛骨悚然十几年前三张哈勃深空照着实把大家给惊到了，对着星星相当稀疏的天区，哈勃持续不断的观测了十几天，长时间的曝光将从遥远宇宙另一端天体发射的微弱光子都留在了CCD上，使得人类以前所未有角度观测到极其遥远的宇宙！哈勃深空照观测到的宇宙有多远？哈勃总共拍过三次超级深空场，第一次是在1995年12月18日至28日共连续十天，目标是大熊座，所覆盖范围之宽度只有2.6弧分，面积为全天面积的2400万分之一；这张深空照中只有几个前景天体是银河系中的恒星，NASA的科学家发现了很多红移高达6的天体，这表明这些天体位于遥远的120亿光年以外，与科学家想象的遥远宇宙“冷冷清清”不一样，哈勃深空照展现给大家的，完美展现了各向同性的宇宙。
第二次深空照在1998年9月和10月间在南天区，约有3000多个星系都位于遥远的120亿光年以外，杜鹃座，赤经22h32m56.22s，赤纬-60°33'02.69"处，它与大熊座北天区观测的条件差不多，只是看到了没有银河以及月球和地球自身遮挡的天区，可以长时间曝光。
真正更远的超深空照是在2003年9月24日至2004年1月16日间拍摄的，范围为3平方角分，只有全天空12,700,000分之一的面积，位于赤经3h 32m 40.0s，赤纬-27°47' 29"（J2000）天炉座的一小片天区。
相当于113天曝光，照片中显示了1000多个星系，它们都位于遥远的130亿光年以外！最后一次是哈勃极深空照，2012年9月25日公布，不过哈勃却没有重新拍摄，而是将过去10年中拍摄的影像重新处理了，比2003~2004年间拍摄的超深空照增加了5500个左右的星系，最远观测到的信息远达132亿光年。
让人不寒而栗的发现，遥远的宇宙竟然还如此熙熙攘攘，似乎无穷无尽，宇宙的尽头到底在哪里？我们能看到尽头？能看不想要看得更远，哈勃还有办法吗？当然有，用更长的时间曝光，这能收集更遥远的光子，比如曝光1000天，但显然是不可能的，由于红移很多星系发出的光芒已经出了可见光，进入了红外波段。
引力波;宇宙的无声奇观(引力波是怎么回事)
引力波;宇宙的无声奇观引力波: 宇宙的无声奇观宇宙是一个充满了神秘和奇迹的地方，每当我们想了解它的深度，它总能给我们带来新的发现。
而其中之一就是引力波，这是宇宙中一种极其微弱的波动，它以无声的方式传递着信息，向我们展示着宇宙的无尽奇观。
引力波是由爱因斯坦在一百多年前的广义相对论中预言的，他认为物体的运动会产生扰动，这种扰动以波的形式传播出去，从而影响到周围的空间。
然而，直到2015年，人类才首次成功地探测到引力波的存在，这是一个具有重大意义的里程碑。
引力波本身并不容易被探测到，它们的传播速度与光速相同，但它们对于物体的相互作用却非常微弱。
事实上，它们的影响如此微小，以至于只有极其强大的天体事件，例如两个黑洞合并或中子星碰撞时，才能产生足够强大的引力波，使我们能够探测到它们。
当引力波通过地球时，它们会扭曲空间和时间的结构。
这种扭曲被称为“引力波的传播”，它类似于水面上的涟漪，传达着遥远天体之间的信息。
科学家们利用精密的激光干涉仪来探测这种微小的变化，这种仪器能够测量光束之间的微小相位差，从而揭示引力波的存在。
探测到引力波的发现为我们提供了一种崭新的观测宇宙的方法。
它不仅能够帮助我们了解黑洞、中子星等极端天体的性质，还可以揭示宇宙的起源和演化过程。
通过研究引力波，我们可以更深入地探索宇宙中那些无法通过其他手段观测到的事件。
引力波的探测也为天文学领域带来了新的突破。
以前我们只能通过电磁辐射来观测宇宙，但引力波的发现使我们能够以一种全新的方式观测天体。
通过观测引力波，我们可以不受光线的干扰，窥探到那些隐藏在黑暗中的天体和事件。
此外，引力波还有助于验证爱因斯坦的广义相对论理论。
尽管广义相对论已经被广泛接受和验证，但引力波的观测提供了对这一理论更深入的检验。
如果引力波的观测结果与广义相对论的预言不符，那将意味着我们需要重新思考关于宇宙结构和物理规律的理解。
引力波的探测是一个困难而复杂的任务，需要使用先进的技术和仪器。
OJ287双黑洞轨道计算：3.5阶后牛顿近似
射 源． 目前通 过准 周期 的爆发 时刻 、光谱等 现象 ，已初步 知道 其轨道 参数 等 ［－２ 为 了 １ ３． ６ ］ 得 到其 引力辐射 ，首 先要对 其轨道 运动 进行 细致计 算和 研究 ．文献 ｆ —１１ 了 ２ Ｎ 轨 １ ６ ７做 Ｐ 道计算 ， 未考虑 ２５ Ｎ 引力 辐射对 于轨道 的反 作用 ， 但 ． Ｐ 而对 轨道计 算的 自洽性来说 ， 引力 辐 射的影 响很重 要 ，必须 考虑 ２５ Ｎ耗散 项 ．包括 了 ２５ Ｎ的 轨道计 算 由文 献 『 ． Ｐ ． Ｐ １ ８—２１ ０
第 ５ ３卷 第 ３期
２ １ 年 ５月 ０２
天 文
学 报
Ｖ ０ ． ＮＯ． １５３ ３ Ｍａ ｙ，２ ０１２
ＡＣＴＡ ＡＳＴＲＯＮＯＭ Ｉ ＣＡ Ｉ ＣＡ Ｓ ＮＩ
ＯＪ ８ ２ ７双黑洞轨道 计算 ： ３５阶 后牛顿 ． 近似冰
武 曙光 张 杨 十 付 正 文
力波辐 射 ．宇宙 中有很 多过 程都可 以产 生引力 辐射 ，其 中，双星 系统是 一类很 重要 的源．
宇宙中大部分恒星都是以双星、聚星等形式存在的．若它们质量足够大 ，距离我们足够
近 ， 有可 能探测到 其辐射 出的引力 波 ．当双 星近 距 互绕 ，进而发 生合并 时 ， 辐射 出强 就 会 烈 的引 力波 ．引力波 存在 的第 一个 间接证 据就是 通 过对脉 冲双 星 的观 测得 出 的 ［ ６． ４ 】 －
２ １ －９２ ０ ０ —６收到原稿 １
国家 自然科学基金项 目 （１７ ０８ 和教 育部博士点基金项 目 （００４ ２ １０６ １０３ １） ２１３ ０ １０２）资助
十ｙｚ ｈ＠ ｕ ｔ ｅ ｓ ｃ ｄｕ．ｎ ｃ
．
引力波与宇宙背景辐射的关系
引力波与宇宙背景辐射的关系引言：引力波作为最新的天文学发现之一，给我们对宇宙的认识带来了巨大的突破。
同时，宇宙背景辐射作为宇宙演化的重要遗迹，也成为理解宇宙起源与演化的重要工具。
本文将探究引力波与宇宙背景辐射之间的关系，并分析它们对于宇宙学的意义。
一、引力波的概述引力波是由爱因斯坦的广义相对论理论预言的一种宇宙现象，它是宇宙中物质运动所激发出的空间曲率波动。
引力波在传播过程中传递能量和动量，并能够对时空结构产生扰动。
引力波探测技术的发展使得科学家能够更好地观测和研究引力波现象。
2015年，LIGO实验的成功探测到了第一个引力波信号，进一步证实了爱因斯坦的广义相对论。
二、宇宙背景辐射的特点宇宙背景辐射是宇宙大爆炸之后残留的辐射，是由于宇宙处于热平衡状态下所导致的。
宇宙背景辐射主要由微波辐射组成，其温度大约为2.7K。
这一辐射是在宇宙初始时刻释放的，之后经过了漫长的时间才到达我们的观测范围。
宇宙背景辐射的存在提供了研究宇宙演化和宇宙参数的重要线索。
三、引力波与宇宙背景辐射的关联引力波与宇宙背景辐射之间存在着密切的关系。
在宇宙早期，由于宇宙膨胀和结构形成的过程中产生了引力波。
这些引力波可以通过扰动宇宙背景辐射而间接地观测到。
由于引力波对宇宙背景辐射的影响非常微弱，科学家需要通过精密的实验和观测来进行验证。
四、引力波与宇宙学的意义引力波与宇宙背景辐射的关系对于宇宙学的研究具有重要意义。
首先，引力波的观测可以进一步验证广义相对论以及引力理论的准确性，从而为理解宇宙力学的本质提供重要依据。
其次，引力波的探测可以帮助我们了解宇宙的形成和演化过程，揭示宇宙的起源之谜。
此外，通过研究引力波与宇宙背景辐射之间的关系，科学家还可以获取有关宇宙各个时期的信息，包括宇宙膨胀率、物质分布和宇宙能量密度等。
结论：引力波与宇宙背景辐射之间存在着紧密的关联，它们之间的研究对于我们深入理解宇宙起源与演化具有重要意义。
随着引力波探测技术的不断发展，我们相信未来会有更多关于引力波与宇宙背景辐射关系的重要发现，这将进一步推动宇宙学的进步。
引力波辐射功率
引力波辐射功率20世纪末，科学家们将爱因斯坦的广义相对论推向最高潮，提出了“重力波”的概念，即引力波（Gravitational Wave）。
这种引力波是由质量聚集形成的引力场产生的，可以激起无限远处的引力力场，并以轻微而不可见的振动形式传播。
引力波辐射功率（Gravitational Wave Power）则是指由引力波所释放的能量之和，包括所有在宇宙中产生的引力波的总能量。
引力波的形成主要是由质量的移动产生摩擦力而引起的，比如双星系统中的一颗恒星快速绕另一颗恒星运行而产生的摩擦力，还有黑洞之间的引力作用，以及宇宙大爆炸而形成的引力波。
当恒星在双星系统中快速绕另一颗恒星运行时，摩擦力会造成它们相互之间发生位置和速度的变化，从而导致周围时空的变形，最终形成引力波。
引力波的生成将释放出大量的能量，所以，引力波辐射功率就是这些释放的能量的总量，也就是源恒星的能量和引力波的能量的总和。
引力波的能量可以从动能和势能二者共同计算出来，即动能可以通过相对论变形的质量的位置和速度来评估，而势能则是由相对论中的引力场变形的质量的位置来评估。
引力波辐射功率会受到多种因素的影响，比如质量和距离、质量分布及其形状、引力波传播的速度等。
例如，如果质量更大，距离更近，引力波辐射功率就会更大。
此外，引力波传播的速度也会影响引力波辐射功率：如果引力波传播得更快，那么引力波辐射功率也会更大。
几千万年来，引力波辐射功率一直是宇宙的主要能源来源之一，它从宇宙大爆炸中释放出的能量，这些能量能够在宇宙中形成各种天体，也可以激发宇宙中的引力波，并影响到宇宙的运行，为宇宙中的恒星及其系统提供引力，这些引力波最终也转化为宇宙大爆炸发出的温暖的能量，这就是引力波辐射功率的力量。
综上所述，引力波辐射功率是指来自宇宙的所有引力波的总能量，它是由质量移动所产生的摩擦力引起的，并受到质量、距离、质量分布及其形状以及引力波的传播速度的影响。
它被认为是宇宙的主要能源来源，并受宇宙大爆炸所影响，为宇宙中的恒星及其系统提供引力，从而影响整个宇宙。
双星系统中引力波效应的观测与理论研究
双星系统中引力波效应的观测与理论研究引力波是爱因斯坦广义相对论的一个重要预言。
它是由于质量变化而产生的时空弯曲所引起的扰动，在空间中传播。
直到2015年，科学家们终于成功地通过LIGO实验直接探测到了引力波的存在，这在科学界掀起了一股轩然大波。
引力波的产生与双星系统的演化密切相关。
当两颗质量巨大的恒星围绕共同质心旋转时，它们所产生的时空弯曲会使得整个空间发生扭曲，进而形成引力波。
因此，观测双星系统中的引力波可以为我们提供关于宇宙的宝贵信息，如黑洞合并这类天文现象。
在传统的观测手段中，如光学望远镜和射电望远镜，我们只能通过电磁波的传播来获得关于宇宙的信息。
但是引力波是一种与电磁波截然不同的物理现象，它可以传递质量的信息。
相比于电磁波，引力波更为微弱，因此观测引力波需要高度灵敏的仪器。
目前，科学家通过在空间中布置引力波探测器已经成功地观测到了许多引力波信号。
这些信号包括来自遥远星系的黑洞合并事件、中子星碰撞等等。
而在地面上，如LIGO、Virgo等引力波探测装置也已经取得了不俗的成果。
这些实验的成功不仅为广义相对论的验证提供了有力证据，同时也为双星系统中引力波效应的研究带来了新的发展态势。
对于双星系统中引力波的理论研究一直是天文学家关注的焦点。
首先，我们需要理解引力波的形成机制以及它们在双星系统中的传播规律。
其次，根据引力波信号，我们可以推断出双星系统的质量、转速、轨道半径等参数，进而解析出双星系统的演化历史。
这对于我们研究星际物质的运动、星体的形成与演化等问题都具有重要意义。
近年来，利用引力波观测数据推断双星系统物理性质的技术得到了长足的发展。
基于对引力波信号的模型匹配，我们可以推断出隐藏在背后的两个恒星的属性，如质量、自转速度等。
同样，我们也可以利用这些数据来判断黑洞的质量、自旋等特性。
除了对双星系统的观测和理论研究，引力波观测还为宇宙学和基础物理学的研究提供了新的研究手段。
通过对引力波的观测，我们可以了解到宇宙中的密度分布、宇宙膨胀速率等信息。
什么是引力波
什么是引力波引力波是由于引力传播而产生的一种物理现象。
它是由爱因斯坦的广义相对论预测并于2015年首次直接探测到的，这一发现也为科学界带来了极大的轰动和重要意义。
引力波是由质量巨大的物体在运动过程中所产生的。
根据广义相对论的描述，物体的质量和能量会扭曲时空结构，这种扭曲就像是将一块薄膜弯曲使其形成波浪一样，这种波动传递的就是引力波。
引力波具有传播速度极高的特点，并且可以通过空间中任意的介质传播，无需依赖于物质介质。
引力波的探测需要精密的仪器和技术。
目前，常用的引力波探测器是利用激光干涉技术构建的，它包括两条相互垂直的光线路径，并利用激光干涉的原理来探测空间中的微小振动。
当引力波通过探测器时，会导致空间的微小扭曲，进而影响到光线的传播路径，从而可以通过测量干涉程度的变化来检测引力波的存在。
引力波的探测和研究对于了解宇宙的本质和演化过程具有重要意义。
首先，引力波的存在证实了爱因斯坦的广义相对论的准确性，进一步验证了引力理论。
其次，通过分析引力波的特征和信号，可以获取物体的质量、形状、轨道和运动状态等信息。
例如，通过探测到的引力波信号，科学家们成功地观测到了两个黑洞的合并过程，证实了黑洞融合的理论。
此外，引力波还可以帮助科学家们研究宇宙的起源、宇宙背景辐射等重要问题。
引力波的探测与应用已经取得了重大的突破和进展。
2015年，美国的LIGO实验设备首次成功地直接探测到了引力波，这一发现为爱因斯坦广义相对论的验证做出了实证。
此后，LIGO又成功探测到了多起引力波事件，包括了由黑洞合并和中子星合并所产生的引力波。
此外，与LIGO相配合的欧洲的Virgo实验设备也在引力波探测方面发挥着重要作用。
除了基础科学的研究，引力波的探测也具有一系列的应用价值。
引力波探测技术可以用于监测地球上发生的大型地震和火山爆发等自然灾害，为地质灾害预警提供新的手段。
此外，在导航和定位、通信、天文观测等领域中，引力波的探测技术也有望得到应用和发展。
宇宙背景辐射大爆炸的残余痕迹
宇宙背景辐射大爆炸的残余痕迹宇宙背景辐射，是指在宇宙中处处存在的微波辐射。
这种辐射源自大爆炸理论，也称为宇宙微波背景辐射（Cosmic Microwave Background，CMB）。
在现代宇宙学中，它是研究宇宙起源和演化的重要证据之一。
那么，宇宙背景辐射大爆炸的残余痕迹究竟是什么呢？我们来深入探讨一下。
1. 大爆炸理论简介大爆炸理论认为，在约138亿年前，整个宇宙起源于一次巨大的爆炸，从此之后宇宙开始膨胀。
随着时间的推移，宇宙不断扩张、冷却，物质逐渐凝聚成星系、恒星和行星等天体结构。
大爆炸理论被广泛接受，并且得到了观测数据的支持。
2. 宇宙背景辐射的发现1965年，美国天文学家佩内齐和威尔逊在进行无线电天文观测时发现了一种均匀且来自各个方向的微波辐射。
经过进一步研究，他们确认这种微波辐射来自宇宙空间各个方向，且具有均匀的特性。
这一发现被认为是对大爆炸理论最有力的支持，也开启了宇宙背景辐射研究的新篇章。
3. 宇宙背景辐射特征均匀性和同质性：宇宙背景辐射在天空中呈现出极高的均匀性和同质性，其温度分布几乎是恒定的。
黑体辐射谱：宇宙背景辐射的光谱非常接近于理想黑体辐射谱，在微波波段有一个峰值。
各向同性：来自不同方向的辐射具有相似的特征，没有明显的方向性。
4. 大爆炸的残余痕迹根据大爆炸理论和对宇宙背景辐射的观测数据分析，科学家们认为该微波背景辐射其实是当初大爆炸所留下的残余痕迹。
在大爆炸发生后，随着宇宙不断膨胀冷却，最初高温等离子体逐渐冷却成气体，最终形成原子。
这个过程中释放出来的光子便是构成现代CMB的来源。
5. 宇宙演化与CMB通过对CMB的观测可以了解更多关于宇宙演化过程中各个时期的信息。
例如，在CMB中存在微小的温度起伏，这种温度起伏可以揭示早期物质密度引起的涡动、原初引力波等信息。
通过精密测量CMB可帮助我们验证暗物质、暗能量等宇宙学理论。
6. 结语总而言之，宇宙背景辐射作为大爆炸留下的重要遗迹，在揭示了宇宙诞生及演化过程中发挥着关键作用。
什么是引力波
1.引力波的定义和概述引力波是由爱因斯坦广义相对论预言的一种天体物理现象。
它是一种传播在时空中的扰动，由质量和能量的加速运动产生。
引力波可以看作是时空结构的震荡，类似于水波在水面上的传播。
根据广义相对论的理论，质量和能量会使时空弯曲，就像将一张弹性的橡皮膜放在平面上，当在其上放置质量或能量时，橡皮膜会产生弯曲。
当质量或能量发生变化时，这种弯曲也会随之改变。
引力波就是这种时空弯曲的扰动，它以波动的形式向外传播。
引力波的产生通常源于质量和能量巨大的天体事件，例如两个黑洞合并、中子星碰撞等。
这些事件引发的巨大能量释放会在时空中产生引力波，这些波会以光速传播，穿过宇宙的各个角落。
引力波的探测对于我们理解宇宙的演化和结构非常重要。
通过探测引力波，我们可以间接观察到宇宙中黑洞、中子星等强引力场的存在，进而验证广义相对论的预言。
引力波的探测也为研究宇宙的起源、星系演化等提供了新的手段和窗口。
近年来，科学家们通过建造高精度的引力波探测设施，如LIGO、VIRGO等，成功地捕捉到了多个引力波事件的信号。
这些发现引发了引力波物理学的革命，并为将来更深入的研究提供了巨大的潜力。
引力波的研究和探测领域仍然处于快速发展阶段，未来的研究将进一步揭示宇宙的奥秘，并可能带来更多关于引力波的新发现和应用。
2.引力波的发现历史和重要性引力波的存在是由爱因斯坦在1916年基于他的广义相对论理论预言的。
然而，直到近一个世纪后的2015年，科学家们才首次成功地直接探测到引力波信号，这是一次里程碑式的事件，标志着引力波物理学的突破。
发现引力波的重要性无法低估。
首先，引力波的直接观测为广义相对论的验证提供了强有力的证据。
爱因斯坦在他的理论中预言了引力波的存在和性质，而通过成功探测到引力波信号，我们能够验证这一理论在极端条件下的准确性。
其次，引力波的探测为我们提供了一种全新的观测宇宙的方式。
传统的天文观测方法主要依赖于电磁辐射，如可见光、射电波等。
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. 均匀各向同性
Robertson-Walker(RW) 度 规 , 及 爱 因 斯 坦 场 扰 动 方 程 , 已成为大爆炸宇宙学的理论基础 [4], 解释了一系 列天文、宇宙学观测 . 但这些只是验证了爱因斯坦 方程的标量部分 , 而张量部分 , 即满足双曲型波动方 程的引力波 , 仍未得到直接验证 . 双星 PSR1913+16 观测表明轨道周期变小 , 可能是双星辐射出引力波 所导致 [6], 与 2.5 阶后牛顿计算符合达到 0.3% 的精度 . 但这只是间接验证引力波的存在 . 还需直接验证 . 另 一方面 , 按照量子论 , 传递引力相互作用的引力场应 是量子场 . 这就涉及到引力场的量子性质 , 而只有确 定引力具有波动性质 , 研究其量子性质才有坚实的 基础 . 根据理论 , 引力波产生于诸多天体物理和宇宙 学过程中 . 例如双致密星绕转、黑洞的吸积、超新星
1 h h , h h , g 2
(9)
1 2 0 2 . 方程 (3) 是关于 h 的波动方程 , 引力 c2 波传播速度为光速 c. 对局域的天体情况 , 向外辐射
1 0 0 1 + (1) (2) 这里两个偏振张量 eij , eij , h 和 0 1 1 0 h×是两个独立的幅度 . 让坐标绕 z轴转动 角 , 对应的 cos sin TT 转动矩阵 Ri j , hij 的变换就体现在 sin cos ( p ) k l ( p) (1) (2) 偏振的变换 : eij Ri R j ekl . 令 eij eij ieij , 其
TT . 剩 下两 个独立 分量 , 作为 动力 学自由 度 , 记为 hij
例如 , 平直时空背景下的真空中场方程的一个解 , 是 (3) 沿 z方向传播的平面波
TT (1) (2) hij eij h eij h e it ikz , i, j 1, 2 ,
其 中 h
这里 Q
TT ij
ij , kl Qkl ,
L 的 两 点 固 有 距 离 变 为 Ly
1 Q ij (t ) d 3 x (t , x ) xi x j r 2 ij 3 是质量四极矩 , 偏振投影算子
1 g yy dy L 1 h . 2 设一束光在 0点分光后 , 分别沿 x, y方向传播 , 分别在
TT hij (t , x )
波的自旋为 2[4,2]. 当引力波 (9) 通过时 , 沿 x 方向相距 L 的两点固有 距离变为 Lx
2G TT Qij rc 4
r t c ,
(5)
L
0
1 g xx dx L 1 h , 沿 y 方向相距 2
[5]
1
引力波方程
爱因斯坦方程
Gv
8G Tv (1) c4 1 是 出 发 点 , 其 中 G R R 是 爱 因 斯 坦 张 量 , 2 T 是除了引力场之外的各种物质场的能动张量 . 为
研究引力波 , 把方程 (1)线性化 , 把度规分解为
引用格式 : 张杨 . 宇宙残余引力波和双星引力辐射 . 科学通报 , 2015, 60: 3294–3305 Zhang Y. Relic gravitational wave in universe and gravitational radiation of binary (in Chinese). Chin Sci Bull, 2015, 60: 3294–3305, doi: 10.1360/N972015-01041
hij ( x , )
s d 3k s s s † s* ik x ik x eij ( k ) 3/ 2 ak hk ( )e ak hk ( )e , (2π) s ,
ˆ, k kk
2 2 2 i j
(10)
s† ak 满足
ds a ( ) d ( ij hij )dx dx ,
(6)
1 a 1 其 中 为 共 形 时 间 , a 2 2 2 2 2 2 , a c c 方程变为 [7,15] 2hij m m hij 0 , hij
s , 其 中 引 力 子 的 产 生 和 湮 灭 算 子 ak s r† 3 ak , ak sr (k k ) ,
L
0
Lx, Ly 反射回来 . 根据光子的 ds 2 c 2 dt 2 g dx dx =0, 这两束光的时间差为 t 2( Lx Ly ) c 2 Lh c , 对应的相位差 2f t , 其中 f 是光的频率 . 这是 激光干涉探测引力波的基本思路 . 一般情况下引力波作为量子场可由 Fourier 模展 开
进 展
g h , | h | 1 ,
(2)
下约束方程 :
hii 0, j hij 0 .
其 中 为 背 景 度 规 , 如 平 直 时 空 的 diag(1,1,1,1),
h 是度规扰动 , 包括不可约化的 3部分 : 标量扰动、
(8)
(0) h , ∣h ∣ 1 . 所谓的有效能动张量 动 , g g
动独立于引力场的简单线性情形 . 实际上 , 引力场影 响物质源的分布和运动 , 而物质源又产生引力场 . 回 到完整的爱因斯坦方程 , 保留非线性 ,
teff
[26,27]
是着眼于小扰动 h 的能量动量对于背景时
再要求一阶部分满足方程 G (1) 8GT (1) c 4 , 方程 (15)化为
G (0)
16G ( g )t LL h h h 2 , (12) h c4
是引力场自身作为源 , 这里 tLL 是引力场的能动赝张
矢量扰动、张量扰动 , 后者即引力波 . 标量和矢量部 分的场方程不是波动方程 . 这里只关心引力波部分 , 保留到扰动 h 的一阶 , 方程 (1)化为
h
16G 4 T , c
即无迹横波 (TT)规范 . 这时有 h=0, h h . 后一个 式子就是横波条件 , 波振动幅垂直于波矢 . 于是 hij就
对于宇宙演化各个阶段都成立 [11,12]. 引力波具有 2个真正的动力学自由度 , 可以取如
eij li m j mi l j , 此构
.
3295
[10,11]
2015 年 12 月
第 60 卷
第 34 期
2
引力波能动张量
线性化的场方程 (3) 只能应用于物质源分布和运
是在背景时空为平直情况下的表达式 . 一般的背景 是给定的弯曲时空 , 如 RW 时空 , 再加上引力场小扰
8G (0) 8G T (2) 4 G (2) , T c4 c
(16)
量 [17], 在平直背景时空 , 其表达式简化为 [18]
[10,15] [14]
ˆ) P P 1 P P , ij , kl (k ik jl ij kl 2 ˆ) k ˆk ˆ . P (k
ij ij i j
质量四极矩引力辐射是天体引力辐射的主要部分. 公式 (4) 还可以计算出质量八极矩及流四极矩 RW时空 , . 对 真空情况 , Tv=0, 则方程 (3)化为齐次的波动方程 . 对
空有影响 . 把方程 (1)展开到 h 的二阶 :
h
16G ( g )T , c4
(11)
G (0) G (1) G (2)
8G (0) [T T (1) T (2) ] .(15) c4
其 中 h g g , 满 足 协 和 条 件 h 0 , 波动方程 (11)的源由物质和引力场共同组成 , 其中 [16]
两 个 独 立 偏 振 张 量
s
s
eij (k ) ij 0 ,
s
eij (k )k i 0 ,
1
eij (k ) ij (k ) ss , 设单位
2
s
(7)
矢量 l, m 相互垂直 , 且与波矢 k 垂直 , 可构造两个独 立线偏振张量 eij li l j mi m j , 造不是唯一的 , 可取其他形式
摘要
综述广义相对论中引力波的研究, 主要报告有关残余引力波和引力辐射方面的系
关键词
广义相对论 引力波的能动张量 残余引力波 微波背景辐射 引力辐射 OJ287 双黑洞
列研究结果. 先简介引力波方程和基本物理概念, 然后讨论含有扰动二阶项的非线性场 方程, 引力波的能动张量, 短波平均, 残余引力波的压强定义和高频发散扣除等问题. 给 出膨胀宇宙中残余引力波的解析解 , 覆盖了从极早期暴涨到现阶段加速膨胀的各阶段 , 给出任何时刻和波长都成立的功率谱、 能量密度和压强谱, 讨详细论了暴涨阶段原初谱的 定义, 简介现阶段谱的各频段可能探测, 主要讨论目前运行的激光干涉探测器对谱的限 制和信噪比, 给出残余引力波所诱导的微波背景辐射的磁场型偏振的解析谱. 最后基于 后牛顿近似, 计算OJ287双黑洞的轨道、引力辐射能流、波形等, 讨论了双星的质心漂移 问题.
2015 年
第 60 卷
第 34 期： 3294 ~ 3305
进 展
《中国科学》杂志社
SCIENCE CHINA PRESS
专题: 纪念广义相对论诞生100周年
宇宙残余引力波和双星引力辐射
张杨
中国科学技术大学天文学系 , 中国科学院星系与宇宙学重点联合实验室 , 合肥 230026 E-mail: yzh@ 2015-09-11 收稿, 2015-09-28 接受, 2015-11-05 网络版发表 国家自然科学基金 (11275187, 11421303)、教育部博士点基金 (20133402110056)和中国科学院先导专项 B(XDB09000000)资助