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.     

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。     

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。     

随机高频引力波电磁响应符合探测的模拟

引力波探测是一种强噪声背景中的微弱信号检测问题,因而不但需要建造极为灵敏的探测装置来实现信号检测,还需要建立在大量噪声中实现信号识别的数据处理方法.不同于相对成熟的面向中、低频引力波天体物理源的激光干涉引力波力学潮汐效应探测系统,本文基于调制强磁场中高频引力波电磁响应探测方案,模拟产生一系列强随机噪声背景下的时域高频随机引力波探测数据;进而利用两台异地同步探测装置模拟探测数据的互相关特性,实现模拟高频随机引力波信号的有效识别,供未来建造瞄准众多宇宙学模型所预期的高频段随机引力波符合探测装置参考.     

大科学时代的大发现需要大资金、大投入、大协作——以引力波探测为例

 简述了引力波探测的起源,按共振棒引力波探测器时代、激光干涉引力波探测器时代、科学研究的全球化时代3 个阶段,论述了引力波探测的进程及其特点。介绍了中国开展引力波研究的历史,分析了中国开展大科学研究的机遇及挑战。     

LIGO实验采用迈克逊干涉仪不可能探测到引力波——引力波存在时光的波长和速度同时改变导致LIGO实验的致命错误

本文严格证明,LIGO实验的计算忽略了两个重要因素,导致致命的错误.一是忽略了引力波对光的波长的影响,二是没有考虑到引力波存在时光速不是常数.按照广义相对论,引力波对空间距离产生影响的同时,也会对光的波长的影响.同时考虑着两个因素,迈克逊干涉仪上激光的相位是不变的.此外按照广义相对论,引力波存在时,时空度规的空间部分发生改变,但时间部分却是平直的.由此导致引力波存在时光速不是常数,用时间差计算干涉图像变化的方法失效.因此LIGO实验设计的基本原理是错的,采用迈克逊激光干涉仪不可能观察到引力波.由于光速不是常数,LIGO实验中所有关于信号匹配的计算都将改变,就谈不上引力波的探测了.事实上,迈克逊当年也是采用迈克逊干涉仪,试图发现地球绝对运动.然而迈克逊实验得到的是零结果,由此导致狭义相对论的诞生.LIGO实验的基本原理与迈克逊实验的基本原理是一样的,在实验过程中光波的相位都是不变的.用迈克逊干涉仪做实验只能得到零结果,由此注定LIGO实验不可能发现引力波的.     

高频引力波的应用前景、产生机制和探测方案

较为全面地论述了高频引力波的应用前景、产生机制和探测方案 .     

高频引力波的应用前景、产生机制和探测方案

较为全面地论述了高频引力波的应用前景、产生机制和探测方案.     

深度学习在引力波数据处理中的应用初探

截至2018-01-16,LIGO已成功探测引力波事件6次.可以预期,引力波探测事件会越来越多,引力波天文学会很快进入到大数据阶段.深度学习在大数据处理方面近年来得到迅速发展.它在数据处理速度,准确度等方面都表现出极大的优势.深度学习在引力波数据处理中的应用讨论还不多.本文引入此问题,并对其进行初步研究.引力波数据最大的特点是强噪声、弱信号.现行的数据处理方法是利用匹配滤波的方式把引力波信号从强噪声中挖掘出来.同时,匹配滤波方法还可以确定引力波源的性质,定量确定其参数.匹配滤波方法的弱点是计算量巨大.这导致数据处理速度很慢.对于将来的大数据引力波天文学,这更将是一个巨大的隐患.匹配滤波方法的另一个潜在问题是,完备准确的理论波形模板是其工作的前提条件.这个潜在问题的后果是很难找到理论预期之外的引力波信号.深度学习的数据处理方法有可能在这些问题上提供出路.同时,深度学习也会遇到其自身的若干困难和问题.本文将从网络结构、训练数据制备、训练优化、对信号识别的泛化能力、对数据的特征图表示以及对特征数据遮挡的响应等方面来展开讨论.     

脉冲星发现55年：中国天眼展望

 脉冲星的发现是人类认识宇宙的重要里程碑之一。介绍了脉冲星自发现至今55年来的研究进展，包括引力波与广义相对论的验证、毫秒脉冲星、脉冲星周期跃变、脉冲星射电辐射效率、快速射电暴与河外脉冲星等方面。展望了中国天眼（FAST）未来发现新的特殊类型脉冲星的潜力，如黑洞脉冲星系统/亚毫秒脉冲星/新型双脉冲星系统，依此实施更高精度验证引力波实验；利用FAST的高灵敏度、高精度研究脉冲星辐射的精细结构，深入了解其物理机制。     

试评LIGO引力波实验

物理学的一些基本问题体现在对空间、时间、引力的看法上,由Newton建立的经典力学(CM)作了清楚的阐述.1905年Einstein提出的狭义相对论(SR)当中根本没有对引力的思考,而在1908年Minkowski说“从今以后空间、时间都将消失,只有这二者的结合保持为独立的实体”——他指的是spacetime概念,译作“时空”或“空时”.这概念立即体现在1916年问世的广义相对论(GR)中,并发展为引力波理论——质量使时空弯曲,当物体加速时它沿着弯曲时空(curved spacetime)以光速发出涟漪,即引力波.然而查遍计量学书籍文献也找不到一个独立的称为“时空”(或“空时”)的物理量.spacetime概念要表达什么,是模糊不清的;时空一体化是整个理论体系的基础,而这个“地基”令人怀疑.2015年9月14日,美国激光干涉引力波天文台(LIGO)的2个检测器同时收到一个瞬态信号;据此LIGO团队宣布说:“我们已从两个黑洞的合并观测到引力波,因为检测到的波形与广义相对论的预测一致”.这不像是真正令人完全相信、十分放心的科学发现方式,因为你无法确认它真的是由“引力波”造成的.虽然信噪比较高,但是它也可能来自别的原因.所用数值相对论(numerical relativity)方法并不很好,因它有许多误差源和非线性影响.至少可以说,目前的“发现”离1887年Hertz发现电磁波的实验还有很大差距,有待查明是事实还只是一种迹象.“引力速度”与“引力波速度”是不同的概念.很久以前许多著名科学家就知道引力传播速度比光速大很多(vG(》)c),他们普遍认为引力如以有限速度(光速c)传播,绕日运动的行星由于扭矩作用将不稳定.再者,说“引力波以光速传播”,似乎它也是电磁波谱上的一员,这是荒唐的.引力理论和电磁理论一直互相独立地、平行地发展;可以借鉴电磁学的成就和方法论,但凭什么把电磁波的速度(光速c)也拉过来安到引力波(假如存在)的头上？可以判定,GR所谓引力波和引力子一样,其存在性可疑,至少还需再作讨论.最后指出,引力场作用是唯一的不能充分与量子理论吻合一致的相互作用,而它是人类最先知道的物理作用.GR描述了这种作用,但它是非量子的,因而也是一种经典理论.GR也可以称为几何动力学;然而GR建立在时空一体化和必定有弯曲时空的基础上,令人疑虑.更何况,根据已发现的某些新的物理现象,由此认为需要寻找比GR更基本的理论.近年来国际上展开研究了“修正的Newton力学”,我们认为是重要的动向.     

用磁悬浮陀螺探测引力波的方案

无论是韦伯最早用来直接探测引力波的铝柱,还是当今探测引力波的主流设备激光干涉仪,都是静止固定的天线．对来自外界的各种波不加选择地一概接收,造成波之间互相干扰;再加上来自地表的噪音,使被测信息难以辨识．利用磁悬浮陀螺作为探测引力波的天线,在旋转的陀螺减速过程中,可能与某一频率相近的引力波共振,使信息得到放大;有效地提高灵敏度并避免地面杂散信号的干扰．     

寻找黑洞铃宕阶段的视界振荡模式信号

双黑洞系统附近的物质稀薄,因此其绕转合并铃宕(ringdown)的演化过程在传统的电磁波段上不可见,而引力波辐射携带了该过程的直接信息,使得引力波数据分析成为研究黑洞理论的有力工具.本研究的重点是对黑洞诞生的最后阶段铃宕的引力波波形分析,在新释放的高精度SXS (stimulating extreme spacetime)引力波数值波形中寻找理论预言将存在于铃宕阶段的视界振荡模式信号(horizon mode),该信号携带了新生黑洞的质量、自旋的信息,验证它的存在与否是限制黑洞模型的有效手段.选取覆盖不同自旋度的28个数值波形样本,采用引力波研究中行之有效且被广泛使用的最优波形模板匹配度法,构建包含由主导铃宕波谱的准正则模式(quasi-normal mode)与视界模式的模版,通过计算模版与数值波形间的最优匹配度,寻找视界模式存在于铃宕阶段的证据.综合所有样本结果,仅相较于n≥4阶的准正则模式,模板中视界模式的加入对匹配度有轻微的提高效果,Δ_(ρmax)≈10~(-6)～10~(-3).首次从波形分析的角度估算视界模式的强度上限,其强度不超过铃宕阶段总强度的1.81%.随后探究了模板中视界模式的添加对新生黑洞自旋度、质量估计的影响,并未见其对参数估计结果的提升效果.目前,对数值波形分析的结果并不能强有力地支持黑洞铃宕阶段存在视界模式信号的预言.     

太阳系外行星的探测——2019年诺贝尔物理学奖成果简析

 James Peebles、Michel Mayor和Didier Queloz 3位科学家分享了2019年诺贝尔物理学奖，以表彰他们对宇宙学和系外行星的发现做出的贡献。介绍了Mayor和Queloz两位诺贝尔物理学奖获得者的学术经历，简述了系外行星领域的发展及现状，解读了太阳系外行星首次发现的科学意义，论述了视向速度法探测系外行星的原理和发展过程，介绍了该领域在中国的研究进展，并对未来进行了展望。     

基于胡宁表述的柱面引力波能量动量赝张量

利用胡宁表述求得了单极化态柱面引力波能量动量赝张量的具体形式, 通过对其正定性、 渐近行为及总能量的分析和讨论, 发现适用于史瓦西球对称引力场的胡宁表述对于柱面引力波尚不能避免由引力场总能量不确定性带来的困难.     

引力波特性新探讨

以Ｅｉｎｓｔｅｉｎ场方程Ｌｏｒｅｎｔｚ－Ｌｅｖｉ Ｃｉｖｉｔａ守恒律为基础,对引力波是否传播能量,动量问题进行了新的探讨,对物体系在发射和接收引力波时的能量转换作了解释,提出了和论述了可藉背景引力波的谱型来检验引力波是否携带能量。     

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     

爱因斯坦在1916:从引力波到量子电磁辐射理论

 1916年,爱因斯坦预言引力波,并提出量子电磁辐射理论、完善光子概念、指出量子过程的内在随机性。百年之后,爱因斯坦预言的引力波通过激光的干涉被探测到,而激光正是基于爱因斯坦的量子电磁辐射理论。引力波探测技术还与爱因斯坦的光子概念和布朗运动理论相关。因此引力波首次被直接探测是对爱因斯坦广义相对论、量子电磁辐射理论2 方面工作的100 周年纪念。本文梳理引力波探测技术中的“爱因斯坦元素”,即激光、光子和热噪声,然后通过对第一手资料特别是爱因斯坦那段时期的信件的分析考证,回顾爱因斯坦在1916年的研究历程,寻找爱因斯坦在引力波和量子电磁辐射理论2方面工作的历史联系。     

双极化态柱面引力波的能量动量赝张量

利用Papapetrou表述分别计算了柱坐标系和笛卡尔坐标系下双极化态柱面引力波的能量动量赝张量,发现笛卡尔坐标系是描述柱面引力波更为合理的坐标系,Papapetrou表述仍不能解决坐标的选择带来引力场能量动量不确定性的困难。