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1、1,“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,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) 3. 宇宙原初引力波 (relic gravitational waves) WZ, Phys.Rev.D (2011); WZ, Zhang, You &
2、 Zhu, Phys.Rev.D (2013),2,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,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) 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
3、学模型（甚早期的e指数膨胀过程）,5,什么是“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,7,什么是“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”！,8,什么是“宇宙原初引力波”？ - 宇宙演化“简史”: inflation+LCDM,10,打引号的“标准模型”：infla
4、tion+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？。,12,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10-18Hz到1010Hz 原初
5、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,13,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 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Pre-inflation阶段 (WZ, Baskaran, Coles 2009)！
6、,14,What? (properties),Stochastic signal something random, Gaussian, noisy, unpredictable Background signal something happening almost everywhere, in all directions, at all times All frequency from 10-18Hz to 1010Hz,15,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 Parametrizati
7、on Transfer function,16,宇宙原初引力波的理论,探测及其宇宙学应用 - 原初功率谱,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？,17,Primordial Power Spectrum - encodes the inflation information,11/29/12,19,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
8、效应 (see WZ WZ 2007 for details),20,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,21,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,
9、SUSY) 9. 宇宙再加热过程 ,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,23,(Smith et al 2006; WZ & Zhang 2006a),宇宙原初引力波的理论,探测及其宇宙学应用 - 宇宙原初引力波的探测: 宇宙核合成,宇宙原初引力波的理论,探测及其宇宙学应用 - 宇宙原初引力波的探测: 激光干涉引力波天文台,2019/11/1,26,宇宙原初引力波的理论,探测及其宇宙学应用 - 宇宙原初引力波的探测: 宇宙微波背景辐射,Planned CMBPol (COrE, LiteBird
10、) experiment,(see CMBPol white book for details),(WZ, JCAP, 2011b),Ideal CMB experiment,Cosmic lensing generates the E-B mixtures, and forms a nearly white B-mode spectrum. For the ideal experiment, where only the reduced cosmic lensing contamination is considered. Detection limit: (WZ & Baskaran 20
11、09),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,30,宇宙原初引力波的理论,探测及其宇宙学应用 - 宇宙原初引力波的探测: 脉冲星天线阵,Photon Path,G-wave,31,Jenet et al. 2006,探 测 现 状 - PPTA, EPTA, NANOGrav.,32,Jenet et al. 2006,L1: Current PPTA L2: Current EPTA L3: Current NANOGrav. L4: Future PPTA * 20 Pulsars * 5 y
12、ears * 100 ns,33,FAST * 50 Pulsars * 30 ns * 5yr, 10yr, 15yr, 20yr SKA * 100 Pulsars * 50 ns * 10 years,34,探 测 前景 - FAST, SKA et al.,WZ et al. 2013,对“原初引力波”和“早期宇宙”的限制,原初引力波的能量密度 原初扰动谱部分（暴涨物理） 转移函数部分（后暴涨物理）,35,对暴涨时期“哈勃参数”的限制,36,37,38,对“张标比”和“谱指数”的限制,39,40,天线阵灵敏度的决定因素,脉冲星个数 脉冲星噪音大小 总的观测时间,41,各种观测因素的影响 - 脉冲星个数,42,各种观测因素的影响 - 脉冲星噪音大小,43,各种观测因素的影响 - 总的观测时间,44,结 论,射电天线阵可以用来限制“频率为nHz”的宇宙原初引力波 根据计算，发现只有当引力波为“蓝谱”时，即暴涨为超德西塔膨胀（鬼场暴涨），FAST和SKA才有可能观测到原初引力波信号 信噪比对“总的观测时间”最敏感。,45,46,谢谢！,
