基于文献计量学方法的引力波研究国际发展态势分析

自2016年2月美国LIGO探测到了双黑洞并合所产生的GW150914引力波信号以来,国际上引力波科学研究和观测工作开展得如火如荼。该文对引力波领域SCI论文进行文献计量分析,从整体态势、高频关键词、高被引论文等维度展开,旨在了解引力波领域国际发展态势。     

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.     

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.     

双致密星引力波源的形成

迄今为止,aLIGO/Virgo共探测到5次恒星级双黑洞并合和1次双中子星并合发出的引力波信号,宣布了引力波时代的全面到来.双白矮星的绕转和并合产生的引力波信号则是未来空间引力波探测器的主要探测目标.双星演化是这些双致密星形成的主要途径.本文从恒星演化出发,对这些双致密星引力波源的形成图像和面临的不确定性进行系统地介绍.这些不确定性主要来自大质量恒星星风、恒星后期演化、超新星爆发、双星演化的基本过程等.     

分赫兹引力波探测助推双中子星并合的多信使研究

作为目前唯一一例人类明确探测到引力波信号及成协电磁对应体的双中子星并合事件, GW170817的发现提供了诸多天体物理过程与现象的关键信息,标志着多信使天文学新时代的开启.但地基引力波探测设备的探测灵敏频段较高,为双中子星并合事件提供引力波预警信号的能力有限.因此,我们考虑利用空间分赫兹引力波探测器为人们提供足够长时标的引力波信号预警,以实现后随电磁搜寻设备对并合事件的及时响应.在假定四年任务运行周期的条件下,本文重点展示了两类空间分赫兹引力波探测器(B-DECIGO和DO-Conservative)定位双中子星并合事件天区及并合时间的能力.对于在探测器开始运行后1–4年内并合的事件,探测器提供的空间、时间定位的预期结果最好,分别可达ΔΩ～10^–2deg²和Δt_c～0.2 s.围绕因双中子星并合而产生的各类电磁暂现事件,我们针对高能辐射、紫外-光学-近红外辐射、射电辐射等举例讨论了可能的天体物理过程,以及利用空间分赫兹引力波探测器实现多信使预警探测的独特优势与未来展望.     

引力波事件GW170817的电磁对应体

2017年8月17日,激光干涉引力波天文台(LIGO)首次探测到来自双中子星合并的引力波GW170817.伴随GW170817的短伽玛射线暴与千新星也分别在1.74 s后和10.9 h后被伽玛射线卫星和光学望远镜探测到.对这些电磁对应体的观测与研究首次证实双中子星并合会产生大量重元素并形成千新星.通过相关理论与观测的比较,人们对于双中子星并合的中心引擎、短伽玛暴喷流的特性以及并合产生的抛射物性质等一系列重要的天体物理学问题进行了空前深入的研究.本文介绍伴随GW170817的各类电磁波对应体的性质,并探讨这些电磁波对应体的物理起源.     

宇宙中的双黑洞

在星系形成的等级结构模型中,亚星系的结构先形成,之后再不断地通过并合形成越来越大的星系.伴随着星系的并合,星系中心的大质量黑洞也不断经历并合.在富气体星系的并合过程中,气体落入星系的中心,可能触发恒星的形成和黑洞的吸积.黑洞不断通过并合和气体吸积,从小到大形成现在观测到的在不同红移处的超大质量黑洞,因此,在星系的演化过程中,不同红移处必然存在很多大质量黑洞双体系统,甚至三体系统.本文将主要对宇宙中大质量双黑洞的观测和理论做一个简要的评述.美国升级后的激光干涉引力波天文台宣称首次直接探测到了引力波,该引力波源为几十倍太阳质量黑洞双星的并合.这么大质量的致密双黑洞是如何形成的?它们的并合率为什么这么高?本文也会简单提及恒星级双黑洞的形成和演化模型.     

引力波对广义相对论的验证和负物质作为统一暗物质-暗能量的8种可能检验

首先,引力波对广义相对论进行了某些验证,并证实是非线性波.进而GW170817观测到在双中子星(BNS)并合产生引力波后1.7 s有γ-射线暴(GRB),这证明引力波和电磁波速度不同.在此计算了BNS的引力红移和光偏转,得到的延迟时间是0.179 2 s.其次,讨论负物质作为统一暗物质和暗能量的8种可能的检验,特别是季节效应.进而,引力波天文学将在负物质的检验中发挥重大作用.最后提出最完美的对称世界.     

非对称引力理论(NGT)概略

爱因斯坦的广义相对论自1916年创建以来经历了各种天文观测的检验而被人们认为是一种科学的、优美的引力理论。近二十年来,广义相对论得到了蓬勃的发展。中子星的形成和结构的研究,黑洞物理和黑洞的探测,引力辐射理论和引力波的探测,大爆炸宇宙学……成了它的广阔的应用领域。广义相对论作为一种引力理论本身也在发展。人们相信所有的物理场从根本上说应当用量子理论来描述。然而广义相对论却是一个纯经典的理论,因为在广义相对论的框架中可观测量——特别是度规张量——总是有确定的值的。过去的四十多     

引力波:广义相对论的世纪礼物

正1915年11月,爱因斯坦向普鲁士科学院递交了3篇论文,描述了引力场的正确方程,标志着广义相对论的诞生。根据广义相对论,物质的质量使得空间扭曲,而其加速运动就会产生引力波。不过这种波动极其微弱,甚而爱因斯坦本人都曾认为是不可能被探测的。不过,在2016年2月11日,美国国家科学基金会(NSF)召开新闻发布会,宣布高新激光干涉仪引力波天文台(Advanced Laser Interferometer Gravitationalwave Observatory,aLIGO)于2015年9月14日发现了一起由双黑洞并合产生的     

科学家发现引力波

美国科学家宣布,他们探测到引力波的存在.引力波是爱因斯坦广义相对论实验验证中最后一块缺失的“拼图”. 美国加州理工学院、麻省理工学院以及“激光干涉引力波天文台(LIGO)”的研究人员当天在华盛顿举行记者会,宣布他们利用LIGO探测器于2015年9月14日探测到来自于两个黑洞合并的引力波信号.     

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.     

空间引力波探测方案的探讨

 2016年2月12日，美国激光干涉引力波天文台（LIGO）和美国国家科学基金会联合宣布，2015年9月14日在美国的两个地面站同时观测到引力波，即GW150914事件。至今已观测到6次引力波事件，其中欧洲引力波天文台（VIR-GO）参加了第4次事件（GW170814），使分辨率提高了10倍。地面引力波探测的成果不仅验证了百年前广义相对论所预言的引力波，发展了理论物理的引力理论，而且开辟了引力波天文学的新领域。     

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.     

贝叶斯引力波多信使天文学

对于双黑洞、双中子星并合引力波及其电磁对应体、宿主星系的观测开启了引力波多信使天文学时代.本文简要介绍引力波、电磁对应体、宿主星系联合观测在提高信号探测效率、增加对波源物理性质的理解、挖掘波源群族性质等方面的基本概念,重点介绍一个贝叶斯引力波天文学框架处理上述问题的方法和此框架在引力波-宿主星系、引力波-短伽玛暴联合观测方面的应用.     

LIGO真的探测到引力波了吗?——电磁相互作用的存在导致LIGO探测引力波的实验无效

在现有广义相对论中,引力波对距离影响的公式只适合于真空中受引力作用的粒子。LIGO实验在地球表面进行,激光干涉仪固定在地表上,处于电磁相互作用的平衡状态。电磁力比引力强10~40倍,引力波不可能克服电磁平衡力使两个干涉仪的距离发生改变。由于没有考虑到这个因素,LIGO实验的设计原理存在严重的问题,其关键的数据分析和计算都是错的。这也是韦伯引力波实验失败的真正原因,探测引力波的实验必须移到太空中进行。除此之外,LIGO实验还存在以下问题:一.没有发现引力波的暴发源,所谓的双黑洞并合事件,只是激光干涉仪测定到的数据与爱因斯坦理论的计算机拟合结果,不代表天文和物理上真实发生的事件。二.LIGO实验证实爱因斯坦引力理论的说法是循环论证,在逻辑上不成立。三.LIGO实验引力波能流密度的计算会导致自相矛盾的结果。四.LIGO实验的理论分析采用数值相对论,为了消除黑洞的奇异性引入许多修正导致误差。由于引力场方程的非线性,蝴蝶效应使误差放大。五.长度改变10~(-18)米的测量远远超出现有技术的能力,实际上不可能实现。这种精度的测量已经进入微观领域,并违背量子力学的测不准原理。LIGO实验中出现的信号不是由两个干涉仪之间距离的变化引起,而是由干涉仪的振动引起。六.因此LIGO实验中探测到的不可能是引力波的信号,可能是来源于两个干涉仪中间地带的某种干扰信号。     

图片新闻

正2016年2月11日,美国国家科学基金会宣布:人类首次直接探测到了引力波。这次探测到的引力波是由13亿光年之外的2颗黑洞在合并的最后阶段产生的。2颗黑洞的初始质量分别为29颗太阳和36颗太阳,合并成了1颗62倍太阳质量高速旋转的黑洞,亏损的质量以强大引力波的形式释放到宇宙空间,经过13亿年的漫长旅行,终于抵达地球,被美国"激光干涉引力波天文台"(LIGO)的2台孪生引力波探测器探测到。     

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.     

脉冲星发现50年

 脉冲星自1967年发现以来,50年的观测和理论研究取得巨大进展,期间曾2次获颁诺贝尔物理学奖。脉冲星以其高度致密和强引力场堪称宇宙天然实验室,可用来验证爱因斯坦广义相对论及进行引力波探测,推动了天文学与物理学研究的发展。本文简介了脉冲星的发现及其性质,并综述了脉冲星导航以及最近建成的500 m口径球面射电望远镜（FAST）的脉冲星探测研究进展。