引力波和宇宙演化课题申请答辩

暴涨的物理本质是什么？ 如何区分暴涨模型？ 新物理能否指导实验的设计？
1978, 2006
➢ 标准烛光 ➢ 标准尺度 ➢ 标准汽笛
2011
二、研究内容、研究目标及拟解决的关键问题 三、特色与创新之处和研究方案及可行性分析
探
(1)
(2)
宇
测
暴涨宇宙学理
原初引力波的
宙
宇
论与实验检验
谱指数及检验
的
David Gross (2004)：21世纪物理学的25个难题 1.宇宙起源、2.暗物质的本质、3.什么是暗能量、4.恒星和行星物体的形成、 5.广义相对论在所有尺度上都是正确的吗？
(2005.7.1)
1. What is the universe made of? 2. Are we alone in the universe? 3. Is ours the only universe? 4. What drove cosmic inflation? 5. When and how did the first stars and galaxies form? 6. What is the nature of black holes? 7. Why is there more matter than antimatter? 8. What is the nature of gravity? 9. …
研究方案和可行性：
建立极化模式的偶极不对称模型，利用Planck数据分析不 对称振幅和方向。正在开展该方向的研究。
(5)利用引力波探测宇宙的膨胀历史
引力波？ 引力波？
问题：
引力波能否作为观测宇宙的可行手段吗？
科学目标：
完成引力波源作为“标准汽笛”测量宇宙膨胀历史的可行 性研究(与课题4合作) ； 分析未来引力波观测数据对暗能量的敏感度，根据模拟数 据指导未来引力波探测实验的设计(与课题3合作)。
理论预言基于慢滚近似
问题：
为区分模型，未来的观测数据需要更精确的理论预言。
科学目标：
完成量子引力修正带来的可观测效应的计算(与课题2合作)； 发展数值计算引力波功率谱的程序包，实现暴涨模型的精 确计算，区分暴涨模型。
研究方案和可行性：
数值求解扰动方程，计算引力波功率谱，计算B模极化谱， 与观测直接比较。具备数值计算的能力和平台。
慢滚暴涨： 反弹暴涨：
[ZG.Liu, ZK. Guo, YS.Piao, PRD 88, (2013) 063539]
问题：
导致CMB大尺度上反常的物理起源是什么？
科学目标：
完成宇宙微波背景温度涨落大尺度反常的理论建模； 检验极化模式是否存在类似的反常，指导未来引力波探测 实验的设计(譬如，阿里计划)。
研究方案和可行性：
根据有效场论探讨CPT破坏项，计算和研究它们的理论预言。 开展了CPT破坏项的研究，具备开展该研究的基础。
(4) 宇宙微波背景辐射大尺度反常的理论研究
反常：偶极不对称、功率谱大尺度压低、宇称不对称、 冷点、…
偶极不对称 [Planck Collaboration, arXiv:1303.5083]
合作单位：华中科技大学
华中科技大学是国家教育部直属的全国重点大学，是首批列入国家 “211工程”重点建设和国家“985工程”建设高校之一。粒子与天体 物理研究所具有很强的研究队伍，主要从事粒子物理和宇宙学的研究， 特别是与本课题相关的引力理论和宇宙学等方面具有长期的积累。
项目主要研究成员：
郭宗宽，中科院理论物理研究所研究员，百人计划（优秀） 研究方向：引力理论与宇宙学 成果：发表文章50余篇，引用2400余次。2009年入选天文学领域 全球最高引用前400篇论文榜单，连续两年（2015和2016年）入选 爱思唯尔发布的中国高被引学者榜单。
(2) 原初引力波功率谱的谱指数及其检验
在慢滚近似下，暴涨预言的引力波功率功为
问题：
一旦探测到引力波，下一个必须回答的问题是引力波功率 谱的形状？
科学目标：
完成暴涨期间有源项产生引力波功率谱的计算； 联合地面、空间干涉仪和CMB的B模极化等多频段的观测数 据限制原初引力波功率谱的谱指数，从而检验自洽性关系。
研究方案和可行性：
通过模拟数据与理论计算进行比较来分析引力波观测对宇 宙学参数估算的灵敏度。具备开展该工作的基础。
四、研究基础与条件
项目参与单位：
依托单位：中国科学院理论物理研究所
理论物理研究所从事理论物理最基本核心问题研究的专门研究所，具 备良好的科研条件，开放的学术交流平台，高性能的计算模拟与数值 实验机群。“引力波物理和宇宙演化”是理论物理研究所十三五规划 中的重要布局方向之一。
宙
起
早
源
期
物
(3)
(4)
理
宇宙双折射物 提高精度 宇宙微波背景 指导实验 宇宙微波背景
理与B模极化
辐射观测
反常起源
探
优
暗
测
势
能Fra Baidu bibliotek
互
宇
补
量
宙
的
晚
(5)
性
期
限制宇宙学参 标准汽笛 天体物理过程 提高精度 引力波的弱透
质
物
数(暗能量)
产生的引力波
镜效应
理
(1) 暴涨宇宙学的理论研究与实验检验
引力波对慢滚暴涨模型的限制 [Planck Collaboration, arXiv:1502.02114]
– 随机方向
– 有方向性
– 持续时间长
– 持续时间短
– 低频 < 10^(-15)Hz
– 高频 > 10^(-9)Hz
– 宇宙微波背景的B模极化 – 干涉仪、脉冲星测时阵列
– 探测宇宙早期物理
– 探测宇宙晚期物理
Log(f)
1
6
1
1
1
4
2
0
8
6
4
20 2
Planck 2009
现代宇宙学的重大问题：
“引力波和宇宙演化”课题
申请答辩
报告内容
一、立项依据 二、研究内容、研究目标及拟解决的关键问题 三、特色与创新之处和研究方案及可行性分析 四、研究基础与条件 五、经费预算说明
一、立项依据
课题1： 宇宙演化
课题2： 基础物理
引力波
课题4： 天体物理
课题3： 数值相对论
• 暴涨过程产生的引力波 • 天体物理过程产生的引力波
研究方案和可行性：
利用MCMC方法，联合不同的观测数据重构引力波功率谱。 正在开展初步的研究。
(3) 宇宙双折射物理和B模极化
[B. Feng, et al., PRL 96 (2006) 221302]
问题：
宇宙演化过程中是否存在CPT破坏新物理？
科学目标：
完成导致宇宙双折射的理论计算及预言(与课题2合作)； 区分不同的B模极化的来源，提高对原初引力波的探测能力 和精度。