引力波引力波源及引力波探测-文档资料

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(Physics Review Letter)，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.
1. 引力波－Einstein广义相对论的预言
Maxwell从理论上预言电磁波的存在(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
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。
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）
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。
实验装置：悬挂的铝棒（重1.4吨）＋压电陶瓷传
引力波,引力波源 及引力波探测
主 讲 人： 李芳昱
交流Email: fangyulicqu.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
激光干涉引力波天文台LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory)（美国） 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 LIGO实际上是一个L形的两个臂长均为四公里的巨型 激光干涉仪，探测精度可望分辨出一个氢原子直径的 对称超新星的爆发或者是大质 十亿分之一的振荡信号，这也正是探测预期的天文引 力波至少所需要的检测精度。如果探测引力波的目标 量天体的突然运动. 得以实现，它不仅可以证实爱因斯坦广义相对论的最
爱因斯坦广义相对论的引力场方程
1 8 G R R 4 T g 2 c
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。 1 0 0 0
g
T


－－描述时空结构,平直时空为 －－描述物质分布
2．引力波的检测原理及引力波检测
弯曲时空中自由粒子的短程线方程
dx x d x d 0 2 d t d t d t
两个处于不同短程线上的粒子就构成了一个最简
2


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。
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。
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(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。
来自百度文库
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弱场近似下，上述方程退化为： 1 6 G 1 h T T 4
c 2
h 此时的时空结构为平直时空度规再加上一个微扰 g 在无质量时空区域可简化为常见的波动方程：
2 1 2 2 h 0 c t
2
与电磁场波动方程作一比较，作一由此及 彼的推测，应该能够得到什么？
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！
d D d E K d D i k i k 5 3 3 d t 4 5 c d t t d
3 3
D ( 3 x x x x ) d V i k i k i k j j
重复指标表示求和，每个指标由1到4(时间 1维，空间3维)。
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。