空间引力波探测——天文学的一个新窗口

本文内容分为两部分.第一部分通过外尔曲率来阐述引力波这个物理概念,为天体源引力波探测(地面或空间)建立一个基本的理论框架.第二部分中,在中国科学院二期先导研究的基础上,我们进一步地说明空间引力波探测的天文学意义,特别是在探索早期宇宙中星系结构的形成,星系-黑洞共同演化结构等重大天文问题中提供一种全新的观察窗口.简要介绍中国科学院空间引力波探测计划(太极计划)的任务设计,并进一步阐明其科学目标以及与(e)LISA项目的区别所在,最后给出空间任务中关键载荷的初步分析.     

空间太极计划:到太空探测引力波

正2016年2月11日,高新激光干涉仪引力波天文台(aLIGO)宣布探测到引力波,开启了引力波天文学和引力波物理学时代,吸引了全世界的天文学家和物理学家聚焦于这一全新的领域。与光学望远镜可分为地基望远镜和太空望远镜一样,对引力波的观测也可分别在地球和宇宙空间进行。我国已计划开展多波段的引力波观测,其中最激动人心的当属在太空观测引力波的"空间太极计划"。为了一窥这一宏伟计划的究竟,本刊专访了空间太极计划的首席科学家胡文瑞院士和吴岳良院士。     

新闻时段2016-02-01至2016-02-15

正(新闻时段2016016-02-01至20162016-02-15;排行依据排行依据:遴选出的30家核心媒体报道频次核心媒体报道频次)1美科学家宣布发现引力波2中国引力波探测工程"天琴计划"正在立项[核心媒体报道频次:29/30]2月12日消息称,中国本土重大引力波探测工程"天琴计划"已于2015年7月正式启动,部分关键技术研究已有具体进展,目前正在立项中。中山大学"天琴计划"是以引力波研究为中心,开展空间引力波探测计划任务的预先研究,制定中国空间引力波探测计划的实施方案和路线图,并开展关键技术研究。根据此前设想,"天琴计划"主要分4阶段实施:第1阶段完     

“天琴计划”太空中捕捉宇宙涟漪

 2016 年2 月11 日,美国国家科学基金会(NSF)宣布第一次直接探测到引力波的存在,引起全世界的广泛关注,这项成果被认为是物理学界里程碑式的重大成果。目光聚焦中国本土引力波探测工程,由中山大学牵头、利用人造卫星探测空间引力波的“天琴计划”经过媒体的多番报道,逐渐为关心引力波探测的人们所注意。     

引力波之谜(下)

正探测意义为什么我们要花费这么多人力、物力、财力去探测引力波?探测引力波的意义非常重大。英国著名理论物理学家霍金曾说":引力波为人们提供了一种看待宇宙的全新方式。(人类)探测到引力波的这种能力,很有可能引发天文学革命。"资助引力波探测的美国国家科学基金会的负责人柯多瓦也说过这样一段话:"如同伽     

从月球背面到深邃宇宙——2018年太空探索主要进展评述

 2018年,人类在太空探索方面取得重要进展。中国“嫦娥四号”探测器成功登陆月球背面,着陆点位于南极艾特肯盆地的冯·卡门撞击坑,实现人类航天器首次登陆月球背面;之后,中国探月工程将在完成月球采样返回后,朝着建设月球科研站的方向前进。在火星探测方面,重点是回答火星上是否曾经有过适宜生命生存的环境及其持续时间,而中国的火星探测器已在研制中,将于下一发射窗口发射升空。在引力波探测方面,中国启动以地面观测为主的阿里原初引力波探测计划以及以空间观测为主的天琴计划和太极计划,有望在这一领域做出重要贡献。多信使探测宇宙、寻找太阳系外的宜居行星是天文和天体物理领域的研究前沿和热点领域,正在酝酿新的突破。     

文化播报

<正>科学家首次直接测到宇宙大爆炸第一波震荡美国科学家近日首次直接探测到宇宙大爆炸第一波震荡,即原始引力波。美国国家航空航天局(NASA)称,这是迄今为止证明宇宙膨胀理论最有力的证据。这一发现是由哈佛大学史密森天体物理中心的科学家们宣布的。他们通过位于南极的BICEP2望远镜探测到了引力波相关的信号。这一望远镜能够探测到宇宙中最为古老的光。NASA表示,这一发现不仅有助于证实宇宙瞬间膨胀,还能够为理论学家提供关于     

胡文瑞院士和吴岳良院士谈“空间太极计划”

 “易有太极,是生两仪。两仪生四象,四象生八卦。”太极,在《易经》中是指宇宙最原始的秩序状态,出现于阴阳未分的混沌时期(无极)之后,而后形成万物(宇宙)的本源。“空间太极计划”正是去探寻引力波,在解开宇宙的起源、形成和演化之谜的路上向前一步。     

引力波爆发事件的电磁对应体的探测

双黑洞并合产生的引力波信号由第二代地面激光干涉仪引力波探测器Advanced LIGO第一次直接探测到,开启了探索宇宙的一个崭新的窗口.伴随着Advanced LIGO科学运行期的继续运行,以及未来几年其他第二代探测器,例如Advanced Virgo,LIGO-India的陆续建设和投入使用,将有越来越多的引力波信号被探测到.最新的双中子星并合引力波事件的电磁对应体被探测到,极大地丰富了引力波天文学的科学内容,人类进入全新的多信使天文时代,例如:提高引力波源及其宿主星系空间位置精度估计,确定引力波源的红移、破除引力波模型中的简并参数,确定引力波事件前身天体的物理环境以及其产生的物理机制、测量宇宙学参数等等.由于引力波探测器的定位能力较差(Advanced LIGO~十至几百平方度),探测引力波事件电磁对应体对大视场高能观测设备提出了迫切需求.爱因斯坦探针具有大视场、高灵敏度、全天观测、快速指向能力和数据下传等方面的优势,特别是其大视场和高灵敏度,为引力波事件电磁对应体的探测提供了一个理想的观测平台.爱因斯坦探针的成功运行,将促进引力波天文学和引力波宇宙学的发展,并且使我国在引力波源的电磁波对应体研究方面处于国际领先的地位.     

数值相对论与引力波天文学

引力波直接探测已经被LIGO成功实现.在这个重大实验发现中,理论模型的重要作用得到充分体现.有效单体数值相对论模型不仅提升了既定硬件的灵敏度,把实验结果的置信度从4.6σ加强到5.1σ,而且还辨认出该引力波源是并合双黑洞.以这次实验结果所给出的双星并合事件率推断,地面引力波探测器接下来还会给出更多的引力波事件.这些引力波实验数据可以被用来进行天文学和基本物理学的研究.随着数据的积累和新脉冲星的加入,脉冲星计时计划的引力波探测精度也越来越高.空间引力波探测计划包括eLISA、太极和天琴等也在积极准备中.可以预期,引力波天文学将逐渐形成.在引力波天文学中,从信号读取到参数反演都离不开理论模型.不做任何解析近似的数值相对论是现实引力波源建模的通用工具.爱因斯坦方程的复杂数学结构和所需的庞大程序构架是数值相对论的两大困难.结合引力波天文学,本文对数值相对论的关键困难、发展历程、研究现状和在引力天文学中的应用等给出比较系统的描述.     

激光干涉仪空间天线航天计划的轨道设计

激光干涉仪空间天线（laser interferometer space antenna,LISA）是欧洲太空局和美国航天局合作用于探测从0．1mHz到1Hz低频引力波的航天项目,引力波的探测将通过在空间中的3个探测器之间使用激光干涉仪的高精度测距来实现．3个探测器计划于2018年前后发射,并于一年后进入引力波探测实验的绕日轨道．为了引力波探测的成功,保持3个探测器所组成星座的高度稳定性是至关重要的．我们在以前2015年实验轨道优化设计的基础上,选取2019年3月1日为起始历元做了实验轨道的优化设计,介绍了任意起始时刻下确定轨道优化起始点的规则和轨道优化的算法;并给出了从地球停泊轨道进入引力波探测实验轨道的发射段和分离段的轨道设计,讨论了所需飞行时间与发射能量之间的关系,给出了设计实例．     

关于宇宙暗物质主要形态之黑洞-夸克星的新证据分析

通过分析新近证据,进一步探讨宇宙暗物质等问题,分析认为:(1)宇宙紫外辐射超出已知辐射源4倍的发现,可能就是源于我国的、2013年初预言的约在可见光附近波段的宇宙背景辐射;彭罗斯等2010年发现的CMB偏振环等新证据,较有力地支持原始夸克星碰撞、重组的宇宙演化及起源模型;黑洞(暗星)-夸克星可能是宇宙暗物质的主要形态,应足以解释暗物质与可见物质的比例.以上均应深入研究;(2)76个黑洞的强大磁场的发现,客观上有力地支持了星系中心超大质量黑洞等的携1/3正负电子电荷的最基本的正、负夸克构型;(3)质能守恒定律的经典物理学意义所推论的最基本夸克的空心圈环结构,为圈量子引力奠定了较坚实的粒子物理学基础;(4)结合高频引力波产生机理(激光约束核聚变等)及探测机理,应对中微子与高频引力波(引力子)进行会师研究.     

双黑洞并合引力波探测评述

 2016 年2 月11 日,美国科学家宣布首次直接探测到了引力波,本文介绍了此次引力波探测的背景、LIGO 探测器设备、探测结果的可信性分析以及LIGO 下一步的探测计划。     

激光干涉引力波探测专题·编者按

<正>引力波是广义相对论最重要的预言.引力波不被屏蔽,具有极强的穿透性,它可带来借助其他方法无法得到的,关于黑洞、致密星、星系核等的大量信息;它把对宇宙的观测推向暴涨阶段;它是在极高精度范围内检验广义相对论的探针.它还将在揭示引力场量子行为中起到不可或缺的重要作用.爱因斯坦在建立广义相对论后,很快就于1 9 1 6年提出了引力波的概念.然而,就连爱因斯坦本人也曾怀疑引力波能否被人类探测到.在经历了4 0多年的争论后才确认,引力波能够脱离源、携带能量在真空中传播,从而开启了引力波探测的大幕.     

引力波标准汽笛与宇宙学

双中子星并合的引力波暴GW170817及其多波段电磁对应的发现标志着多信使引力波天文学时代的来临.通过引力波探测器对致密双星并合产生的引力波波型的观测可以独立测量波源的光度距离,这预示着引力波源可以作为"标准汽笛"来研究宇宙的膨胀历史,从而提供了一种研究宇宙学的新途径.本文介绍利用引力波"标准汽笛"来限制宇宙学参数的基本原理,着重讨论各种确定波源距离和红移的方法.同时讨论地基第二代和第三代引力波探测器,以及空间引力波探测器对宇宙学参数,特别是哈勃常数和暗能量参数的限制能力.     

科学是永无止境的前沿

<正>北京时间3月18日凌晨,来自美国哈佛大学史密森天体物理中心的科学家宣布,架设在南极的宇宙微波背景辐射探测器BICEP2捕捉到了宇宙暴涨时期遗留下来的宇宙原初引力波。这是爱因斯坦提出了相对论以来,人类首次直接探测到的引力波信号。这一发现无疑进一步夯实了爱因斯坦的广义相对论和量子理论这两大现代物理学理论的基础。多年以来,包括欧空局的普朗克卫星在内的全球多个天文台都在寻找原初引力波,然而这一次还是     

引力波探测器联网的定位能力

引力波是爱因斯坦最重要的预言之一,是检验广义相对论正确性的重要工具.引力波理论及其探测一直以来都是理论物理学家和实验物理学家感兴趣的研究领域.事实上,随着科学技术的发展,人类已经具备了建造极度灵敏的地面探测器以及空间探测器的能力,直接探测引力波已经成为现实.2015年9月14日,LIGO首次直接探测到引力波,该信号源自一次双黑洞并合事件,自此人类进入引力波常规化探测阶段,终于拉开了引力波天文学时代的序幕.地面引力波探测器最主要的波源是处于旋近和并合阶段的致密双星.如果在探测到这些波源所辐射出的引力波信号的同时,又能观测到波源对应的电磁波信号,那么引力波信号和电磁波信号可以相互补充,形成新的观测模式.然而单个地面引力波探测器很难准确地探测引力波信号,也不能进行波源精确定位,将多个探测器联网组合,这样既能准确探测引力波信号,又能大幅提高引力波波源的定位精度.本文中,首先介绍探测器联网对引力波信号GW150914源的定位情况,然后介绍了两种最常用的估计定位精度的方法,即马尔科夫链蒙特卡罗(Markov Chain Monte Carlo,MCMC)的方法和解析的方法.最后,选用一种解析的方法讨论未来中国引力波探测器与日本及澳大利亚所组成的探测器网络的定位精度,并给出了中国的较优台址.最后,还讨论了中国加入世界引力波探测器网络行列对引力波波源定位的贡献.     

引力波天文学专题·编者按

正截至目前,美国激光干涉引力波天文台(LIGO)实验组已经通过两轮的科学运行实现了两项重大突破:2015年9月14日直接观测到由两颗恒星级黑洞并合产生的引力波,为人类开启了探索宇宙的一个新窗口;2017年8月17日,LIGO-VIRGO合作组第一次探测到双中子星并合引力波事件,并且世界上数十家机构协同合作,在多个电磁     

引力波探测:引力波天文学的新时代

 美国LIGO 于2016 年2 月11 日宣布首次探测到了引力波,引起全世界范围的广大反响。本文解答从什么是引力波、引力波是如何产生的、人类为什么坚持不懈地探测引力波、如何探测引力波,介绍国内外引力波探测的现状,并对引力波探测的未来进行展望。     

引力波会告诉我们什么——从LIGO首次直接观测到黑洞引力波说起

 LIGO 宣布首次直接探测到引力波,是一项震动世界的里程碑式科学发现,它将开启引力波实验的新纪元。本文介绍直接探测引力波的意义、致密天体引力波的直接探测手段,指出原初引力波的探测将是下一个值得期待的重大科学突破。介绍了探测原初引力波的意义以及即将在中国西藏阿里地区展开的阿里原初引力波探测实验,并对引力波开启的天文物理的新时代做了展望。