宇宙原初引力波的探测PPT课件

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宇宙原初引力波的理论,探测及其宇宙学应用 ------ 转换函数及其参数化模型
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Applications
对于物理学： 1. 引力波物理研究 2. 引力性质，量子引力（圈量子引力，超弦）等
对于宇宙学： 3. 暴涨物理 4. 宇宙拓扑缺陷（宇宙弦，宇宙墙等） 5. 早期宇宙演化行为 (before recombination stage) 6. 宇宙诞生物理 (before inflationary stage) 7. 宇宙中的相对论粒子流 (i.e. neutrinos) 8. 早期宇宙箱变 (i.e. e+e-, QCD, SUSY) 9. 宇宙再加热过程
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宇宙原初引力波的理论,探测及其宇宙学应用 ------ 原初功率谱
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Primordial Power Spectrum
--- encodes the inflation information
• 谱指数到底是多大？
经典标量场暴涨（红谱）? 鬼场暴涨（蓝谱）？
• 振幅（张标比）到底是多大？
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❖ PTA探测，及其对早期宇宙的限制
报告内容
❖ 什么是原初引力波？
大爆炸宇宙学，暴涨宇宙学，原初引力波的产生及演化
❖ 原初引力波的探测方法
❖ PTA探测，及其对早期宇宙的限制
什么是“宇宙原初引力波”？
------ 宇宙学模型 标准宇宙学模型：热大爆炸宇宙学模型
1. 哈勃膨胀；2. 宇宙微波背景辐射；3.宇宙元素丰度；4. 星体年龄(<114亿年)
❖All frequency – from 10^{-18}Hz to 10^{10}Hz
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宇宙原初引力波的理论,探测及其宇宙学应用 ------ 原初引力波与宇宙学
❖ Energy density ❖ Primordial spectrum ❖ Parametrization ❖ Transfer function
❖ 原初引力波的功率谱忠实地记录了暴涨时期的物理： 其振幅决定于暴涨时期的物理能标 其谱指数记录了暴涨时期的宇宙的演化行为
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宇宙原初引力波的理论,探测及其宇宙学应用 ------ 宇宙原初引力波的演化行为
❖ 在暴涨时期，宇宙的膨胀速度远 远大于宇宙视界的增长速度，因 此小尺度的引力波变成了长波引 力波，并且当引力波跨越视界后 振幅保持不变．
3. 宇宙原初引力波 (relic gravitational waves)
WZ, Phys.Rev.D (2011); WZ, Zhang, You & Zhu, Phys.Rev.D (2013)
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报告内容
❖ 什么是原初引力波？
大爆炸宇宙学，暴涨宇宙学，原初引力波的产生及演化
❖ 原初引力波的探测方法
“脉冲星天线阵”及其对 “宇宙原初引力波”的限制
赵文
中国科学技术大学 天文学系
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脉冲星天线阵探测引力波
❖ 引力波频率: nHz
❖ 三种引力波源(Jenet et al. 2006)：
1. 超大质量黑洞双星系统 2. 宇宙弦 (cosmic string)
PPTA(Jenet et al. 2006); EPTA(van Haasteren et al. 2011 ); NANOGrav(Demorest et al. 2012)
❖ 暴涨结束后，宇宙视界的增长速 度大于宇宙的膨胀速度，因此各 频段的引力波重新进入视界．一 旦重新跨越视界，引力波的振幅 随着宇宙的膨胀而减小．
因此现在引力波的功率谱忠实记录了宇宙所有阶段的演化信息, 包括Preinflation阶段 (WZ, Baskaran, Coles 2009)！
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What? (properties)
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什么是“宇宙原初引力波”？
------ 暴涨宇宙学
❖ 成功得解决了大爆炸宇宙学的各 种疑难（视界疑难，平坦型疑难 ，磁单极子疑难）！
❖ 预言了密度原初扰动谱：近似尺 度不变的，高斯的。这是宇宙大 尺度结构形成的“种子”（已经 被CMB，LSS等观测证实）!
❖ 预言宇宙原初引力波---早期宇宙 学研究的“圣杯”！
❖Stochastic signal – something random, Gaussian, noisy, unpredictable
❖Background signal – something happening almost everywhere, in all directions, at all times
宇宙原初引力波的理论,探测及其宇宙学应用 ------ 宇宙原初引力波的产生
❖ 引力波是爱因斯坦广义相对论的一个基本预言.
❖ 1974年，Grishchuk发现，随着宇宙的膨胀,引力波可以从真空中自发 产生，从而形成原初引力波背景辐射，它是’量子论+相对论’的必然 产物.
❖ 如果考虑到极早期宇宙有一个近似de-Sitter的加速膨胀（暴涨）过程， 则原初引力波的功率谱是近似尺度不变的，其频段从10^{-18}Hz到 10^{10}Hz．
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宇宙原初引力波的理论,探测及其宇宙学应用 ------ 转移函数及其参数化模型
❖ 红移压低效应
❖ 宇宙加速膨胀效应
(Zhang, Yuan, WZ, et al. 2005 Zhang, WZ, Yuan, et al. 2005)
❖ 自由粒子流效应
❖ 宇宙相变效应
(see WZ&Zhang 2006a; WZ 2007 for details)
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什么是“宇宙原初引力波”？
------ 宇宙演化“简史”: inflation+LCDM
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打引号的“标准模型”： inflation+LCDM
❖ inflation?
产生？演化？结束？物理机制？转化？。。。。
❖ （L）暗能量？
物理本质？演化行为？宇宙命运？。。。。
❖ （CDM）冷暗物质？
物质or引力？什么粒子？相互作用？。。。
模型困难！
1.视界疑难(均匀性疑难)；2.平坦型疑难；3.磁单极疑难；4.结构形成疑难
解决办法
暴涨宇宙学模型（甚早期的e指数膨胀过程）
5ຫໍສະໝຸດ Baidu
什么是“宇宙原初引力波”？
------ 暴涨宇宙学
❖ 热大爆炸宇宙模型的初始条件！ ❖ 一般用标量场（经典标量场，Phantom场，K-essence场等）来描述