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物理教学 2022年第11期44卷 2-5,23页

作者：陈丽清华东师范大学物理与电子科学学院上海200241

本文简要介绍引力波特性及其实验验证的重要性,并从量子力学原理出发介绍了激光干涉仪测量引力波的原理、测量灵敏度极限、实验参数计算和探测器装置设计以及采用量子技术提升测量极限,最后对引力波探测器未来发展进行了展望。

关键词：引力波激光干涉相位测量极限量子增强

宇宙学原初磁场的暴胀致磁机制及其对引力波的影响

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宇宙学原初磁场的暴胀致磁机制及其对引力波的影响

作者：张乐瑶大连海事大学

学位级别：硕士

宇宙中的磁场随处可见。原初磁场是指从产生起到目前为止存在形式没有受到随后的宇宙学过程和天体物理过程影响的磁场。观测表明,原初磁场具有较大的相干长度,而暴胀为产生如此大尺度磁场提供了一个很好的机制,即暴胀致磁机制。暴胀期... 详细信息

宇宙中的磁场随处可见。原初磁场是指从产生起到目前为止存在形式没有受到随后的宇宙学过程和天体物理过程影响的磁场。观测表明,原初磁场具有较大的相干长度,而暴胀为产生如此大尺度磁场提供了一个很好的机制,即暴胀致磁机制。暴胀期间宇宙尺度因子的指数膨胀能够将傅里叶简正模式拉长到非常大的尺度上,这些简正模可以由亚视界尺度的电磁场量子涨落产生,当这些模式演化为超视界尺度时,这些量子涨落也演化为经典扰动。此外,任何预先存在的电荷密度,都会由于宇宙的快速膨胀而极速稀释,因此暴胀时期的宇宙电导率较低,不是一个良导体,即并不会有限制磁场产生的磁通量冻结效应。然而暴胀致磁机制存在一个主要问题,随着宇宙尺度因子的暴胀,磁感应强度将迅速被稀释,其根源在于电磁场演化的共形不变性。因此,为了在暴胀过程中获得强磁场,应当引入对电磁场作用量共形不变性的破坏机制,即对电磁场作用量进行修改。本论文在推导计算通常的原初磁场暴胀致磁模型的基础上,研究了带标量模式非均匀微扰时空背景下的暴胀致磁模型和含多个矢量场的暴胀致磁模型,并且综述了暴胀致磁机制对原初引力波产生的影响,具体内容包括以下三个方面:1.本论文在通常的原初磁场暴胀致磁模型的基础上,对带标量模式非均匀微扰时空背景下的暴胀致磁模型进行了研究,通过引入耦合函数来打破电磁场演化的共形不变性。与通常模型不同的是,本论文在带标量微扰的FRW度规下推导了麦克斯韦方程。考虑标量模式微扰时,耦合函数的形式取决于作用量的自洽性。因此,这种自洽性可以限制耦合函数的形式。进一步通过给出耦合函数的约束方程,可得到其具体形式。在计算电场和磁场的功率谱时发现,慢滚暴胀时期耦合函数随时间递增,这将导致强耦合问题。因此本论文通过在重加热时期引入修正函数,定性地讨论了这一问题。2.本论文研究了含有多个矢量场的原初磁场暴胀致磁模型。因为单一耦合函数不能同时为递增函数和递减函数,所以不能同时避免强耦合和反作用问题。因此本论文通过在多场模型中引入暴胀场和标量场之间的耦合矩阵,而不是单一的耦合函数,由此讨论了多矢量场的暴胀致磁模型。此外,本论文还讨论了双场模型的三种情况以及不同矢量场之间互耦的影响。3.本论文综述了几种暴胀致磁机制对原初引力波产生的影响,介绍了随机引力波在暴胀过程中演化的一般形式,并进一步将模型的功率谱与探测器探测的灵敏度作比较,讨论在其探测范围内是否可以被探测到。

关键词：原初磁场暴胀致磁机制宇宙学微扰多矢量场引力波

太极计划的引力波标准汽笛观测将助力宇宙学参数测量

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Science Bulletin 2020年第16期65卷 1340-1348,M0003页

作者：赵泽伟王凌风张敬飞张鑫 Department of Physics College of SciencesNortheastern UniversityShenyang 110819China Ministry of Education's Key Laboratory of Data Analytics and Optimization for Smart Industry Northeastern UniversityShenyang 110819China Center for High Energy Physics Peking UniversityBeijing 100080China

太极计划是一个引力波空间探测项目,计划发射3颗绕日轨道卫星,组成一个各自相距300万公里的等边三角形卫星组,利用激光干涉方法进行中低频波段(0.1 m Hz^1.0 Hz)引力波的直接探测.太极计划可观测由超大质量双黑洞并合产生的引力波标准... 详细信息

太极计划是一个引力波空间探测项目,计划发射3颗绕日轨道卫星,组成一个各自相距300万公里的等边三角形卫星组,利用激光干涉方法进行中低频波段(0.1 m Hz^1.0 Hz)引力波的直接探测.太极计划可观测由超大质量双黑洞并合产生的引力波标准汽笛事件,用于探测宇宙的膨胀历史.本文对太极计划利用标准汽笛观测提升宇宙学参数测量精度的能力进行了预测.基于3种超大质量黑洞模型对太极计划5年的标准汽笛数据进行了模拟,发现其标准汽笛数据可有效打破宇宙微波背景观测所带来的固有宇宙学参数简并,特别是对于动力学暗能量模型,这种打破参数简并的作用尤为显著.当前基于电磁观测的宇宙学探针已可以极高的精度测量宇宙学参数,即便如此,太极计划的标准汽笛观测仍能在一定程度上帮助进一步改善宇宙学参数测量,并在未来为我们提供极为重要的宇宙学探针.

关键词：引力波宇宙微波背景宇宙学精度测量能量模型观测所等边三角形激光干涉

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引力波探测检验广义相对论

中国科学：物理学、力学、天文学 2018年第7期48卷 82-94页

作者：曹周键何孝凯北京师范大学天文系北京100875 湖南第一师范学院数学与计算科学学院长沙410205

自2015年9月14日人类第一次探测到引力波以来,引力波探测的进展非常迅速.到目前为止LIGO已确认双黑洞并合引力波探测结果5例,分别为GW150914,GW151226,GW170608,GW170104和GW170814.以及确认的双中子星并合引力波探测结果1例,GW170817.... 详细信息

自2015年9月14日人类第一次探测到引力波以来,引力波探测的进展非常迅速.到目前为止LIGO已确认双黑洞并合引力波探测结果5例,分别为GW150914,GW151226,GW170608,GW170104和GW170814.以及确认的双中子星并合引力波探测结果1例,GW170817.另外还有疑似双黑洞并合引力波探测结果1例LVT151012.受引力波探测的驱动,关于引力波的物理学和天文学研究自2016年以来的发展也异常迅速.引力波的成功探测定性地支持了广义相对论.但引力波探测作为涉及强引力场、强动态时空区域的实验,它还可以定量地检验广义相对论,甚至有可能发现广义相对论的适用范围,指引超越广义相对论引力理论的发展.本文将针对如何利用引力波探测检验广义相对论的问题,从引力波定性性质、引力波极化自由度、引力波传播速度以及引力波波形特征几个方面作一个较为全面的介绍.

关键词：引力波致密双星系统数值相对论

基于引力波事件观测的额外维理论中测地线问题研究

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基于引力波事件观测的额外维理论中测地线问题研究

作者：谭翔升信阳师范学院

学位级别：硕士

自爱因斯坦提出广义相对论并在此基础上预言引力波的存在后,人们就开始致力于引力波的探测。从2015年9月14日第一个引力波事件GW150914截至到2021年11月8日,由世界各激光干涉引力波天文台探测到的引力波事件数量已经达到90次之多。为我... 详细信息

自爱因斯坦提出广义相对论并在此基础上预言引力波的存在后,人们就开始致力于引力波的探测。从2015年9月14日第一个引力波事件GW150914截至到2021年11月8日,由世界各激光干涉引力波天文台探测到的引力波事件数量已经达到90次之多。为我们研究和探索引力波规律打下了坚实的基础。在膜世界模型中,我们认为物质世界是生活在膜(Brane)上的,而膜则是镶嵌在更高维的Bulk中的,其中电磁相互作用被限制在膜上而引力则可以穿透膜在Bulk中传递。在我们的四维时空中,引力波和电磁波一样都是以光速传播,这一观点已被广泛接受。但是,在膜世界模型中电磁波沿着膜传播,而引力波则是在Bulk中传播,这就导致引力波传播的因果联系与电磁波传播的因果联系是不同的,从而产生了膜世界模型中著名的“捷径”效应。在引力波事件GW170817和GW150914中,分别观察到1.74s和0.4s延迟的电磁对应体信号。基于上面这些情形,本学位论文从一个全新的角度考虑“捷径”效应,并利用引力波事件的观测尝试给模型加以限制。取得的主要创新点如下:(1)我们在额外维理论中提出了一种新的研究“捷径”效应的方法。不同于之前文献报道的Killing矢量方法,我们是通过构建系统的拉格朗日量获得测试粒子的作用量,并对作用量进行变分得到测试粒子的三动量,以及测试粒子的运动方程。(2)本文重点研究了非零类Schwarzschild质量类光测地线,研究发现沿R方向的测地线遵循超几何函数F(1/2,1,5/4,1/(1+γR))的规律,沿T方向的测地线遵循阿佩尔超几何函数F(1/4,-1/4,1,5/4,1/(1+γR),(1+lγμ)(1+γR))的规律。(3)在类Schwarzschild质量消失的条件下,我们采用上面的拉格朗日量方法研究了3维平坦空间,得到了Caldwell-Langlois类光测地线。同样,我们还研究了3维非零曲率空间,得到了Yu-Gu-Huang类光测地线。本论文的结构为:第一和第二两个章节介绍了我们研究内容的背景知识和理论模型,分别是广义相对论、引力波和额外维理论等方面。第三章介绍了相关引力波事件的观测过程和结果。第四章中包含了一些文献中的前期工作和我们在非零质量标度下对类光测地线的计算。第五章为结合天文观测结果对额外维相关参数做出限制的研究方法。第六章为结论。后续我们将借助引力波事件GW178017和电磁对应体短伽马暴GRB170817A事件联合开展参数模型的限制。

关键词：引力波额外维膜世界类光测地线

不等臂长条件下时间延迟干涉法的最优灵敏度曲线

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北京师范大学学报（自然科学版） 2024年第3期60卷 310-319页

作者：志相矫佳庚石浚希赖景祺田雨中国科学院大学杭州高等研究院基础物理与数学学院浙江杭州中国科学院大学物理科学学院北京中国科学院理论物理研究所北京中国科学院大学国际理论物理中心(亚太地区) 北京

发展了一种新算法,其能够不依赖于时间延迟干涉法基底构型的正交化过程,可直接得到最优灵敏度曲线;分别将其应用到第1代和第2代时间延迟干涉法.结果表明:尽管受不等臂长模型和不同基底选择的影响,但是最优灵敏度曲线仍展现出良好的鲁棒... 详细信息

发展了一种新算法,其能够不依赖于时间延迟干涉法基底构型的正交化过程,可直接得到最优灵敏度曲线;分别将其应用到第1代和第2代时间延迟干涉法.结果表明:尽管受不等臂长模型和不同基底选择的影响,但是最优灵敏度曲线仍展现出良好的鲁棒性;基底数量对最优灵敏度曲线有显著影响,当基底数由3增加到5时,灵敏度曲线获得了显著的优化,其中基底数为3时,在0.0010.100 Hz引力波频段内,不同基底的选择对最优灵敏度曲线影响较为显著.

关键词：时间延迟干涉法引力波灵敏度曲线正交性破缺

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小功率霍尔推力器研究现状及展望

航天器工程 2024年第2期33卷 110-119页

作者：一鸣孙斌孙建冬韩道满刘旭辉大连理工大学力学与航空航天学院辽宁大连116024 北京控制工程研究所北京100094

为了有效应对深空探测任务的复杂要求,尤其是在引力波检测等具有挑战性的任务中,迫切需要对现有的霍尔推力器技术进行小型化和小功率化(功率范围25~500W)改进。目前,国内外关于小功率霍尔推力器的研究已取得一定进展,但仍面临许多技术... 详细信息

为了有效应对深空探测任务的复杂要求,尤其是在引力波检测等具有挑战性的任务中,迫切需要对现有的霍尔推力器技术进行小型化和小功率化(功率范围25~500W)改进。目前,国内外关于小功率霍尔推力器的研究已取得一定进展,但仍面临许多技术难题和挑战。通过对现有文献和研究成果的综合调研,深入分析了环形霍尔推力器、会切场霍尔推力器、圆柱形霍尔推力器、永磁体霍尔推力器和无通道霍尔推力器等五种主要类型的小功率霍尔推力器。这些推力器在小功率化过程中,均面临着效率不够高、寿命不够长和可靠性不够强等技术难点。鉴于此,文章分析了这些技术挑战,并基于当前的技术瓶颈,提出了几种可行的研究方向和优化策略,旨在推动小功率霍尔推力器技术的进一步发展,以更好地服务于未来的深空探测任务,期望通过这些研究,为霍尔推力器技术的未来发展提供参考和发展建议。

关键词：小功率霍尔推力器电推进引力波

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对-谐条件下不存在引力辐射和引力波的研究

物理学报 2000年第2期49卷 194-200页

作者：青心烟台大学物理系烟台264005

证明在对角度规谐和条件(对谐条件)下,Vierbein表述的行波RiemannChristoffel曲率张量的所有分量为零;引力波的能量动量、功率流密度、辐射总功率和张力张量均为零.因而时空平直,既不存在引力辐射,也不存在任何形式的引力波.最后指出了... 详细信息

证明在对角度规谐和条件(对谐条件)下,Vierbein表述的行波RiemannChristoffel曲率张量的所有分量为零;引力波的能量动量、功率流密度、辐射总功率和张力张量均为零.因而时空平直,既不存在引力辐射,也不存在任何形式的引力波.最后指出了引力理论与量子理论的内在联系.

关键词：对-谐条件引力辐射引力波相对论

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激光干涉引力波空间阵列核心问题的综合讨论

科学通报 2019年第24期64卷 2468-2474页

作者：罗子人张敏靳刚中国科学院力学研究所北京100190 中国科学院大学工程科学学院北京100049

空间激光干涉引力波探测计划,例如欧洲航天局主导和美国参加的LISA(Laser Interferometer Space Antenna)计划[1]、中国的“太极”计划[2]和“天琴”计划[3]等,瞄准中低频段(0.1mHz^lHz)的引力波波源.这个频段的引力波事件被认为具有更... 详细信息

空间激光干涉引力波探测计划,例如欧洲航天局主导和美国参加的LISA(Laser Interferometer Space Antenna)计划[1]、中国的“太极”计划[2]和“天琴”计划[3]等,瞄准中低频段(0.1mHz^lHz)的引力波波源.这个频段的引力波事件被认为具有更重要的天文学、宇宙学以及物理学意义[4-6],其典型的波源包括超大(和中等)质量黑洞双星的并合、极端(和中等)质量比黑洞双星的绕转、银河系内数以百万计的致密双星系统以及随机引力波背景等.

关键词：激光干涉引力波空间双星系统欧洲航天局探测计划低频段质量比

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中子星非径向振荡和引力波辐射的研究

中子星非径向振荡和引力波辐射的研究

作者：郑子岳中国地质大学

学位级别：硕士

由于当前描述强相互作用的量子色动力学(QCD)缺少有效的非微扰计算方法,所以高密度核物质的物质结构和形态仍然是一个开放的理论问题。中子星作为当前已知除黑洞外最致密的星体,其核心能够达到数倍饱和核密度,且具有超高温超高压等极端... 详细信息

由于当前描述强相互作用的量子色动力学(QCD)缺少有效的非微扰计算方法,所以高密度核物质的物质结构和形态仍然是一个开放的理论问题。中子星作为当前已知除黑洞外最致密的星体,其核心能够达到数倍饱和核密度,且具有超高温超高压等极端条件,是研究高密度核物质和QCD的天然实验室。2017年LIGO/Virgo引力波天文台共同探测到双中子星并合引力波事件GW170817,将中子星以及引力波的研究推向了一个新的高潮,开启了引力波多信使时代。引力波未来会成为天文观测的重要手段。作为辐射引力波机制之一的中子星非径向振荡,也成为了当前致密核物质和中子星研究的热门课题。致密核物质的状态方程是决定中子星结构和性质的关键输入量。对于高密度核物质,当前理论高度依赖于模型,其中一个重要的猜想是出现退禁闭的夸克物质。在本文工作中,我们采用Brueckner-Hartree-Fock多体理论描述的核子物质状态方程,其中相互作用势采用Bonn-B势和Argonne-V18势;对于夸克物质,我们采用Dyson-Schwinger方程模型,其同时考虑了禁闭和动力学手征对称性破缺。对于强子-夸克相变,我们采用Gibbs相变结构。在此基础上,我们对中子星与混杂星的结构和非径向振荡进行了研究。中子星两个最直接也是相当重要的物理量——质量和半径,这两个物理量反映了中子星物质状态方程的不同方面,当前的观测结果对状态方程存在一定的约束作用。将状态方程和广义相对论框架下的流体静力学平衡方程(TOV方程)结合,就能得到中子星的质量-半径关系。我们采用的状态方程得到的质量-半径关系,满足当前对中子星质量和半径的观测给出的限制。但是由于理论的不确定性,给出的质量-半径关系并不能非常明确的区分纯中子星和混杂星。通过对中子星振荡和引力波的观测,同样可以限制中子星内部物质结构和组成。我们计算了Cowling近似下中子星?=2的非径向振荡的扰动振幅和本征频率。我们发现,相比于纯强子中子星,混杂星中夸克物质的出现会压低扰动振幅,使扰动集中在内核,更能体现核心的性质,并且剧烈影响了Brunt-V?is?l?频率,从而影响了模频率。对于纯中子星,我们发现一阶模频率～300,并随着星体质量的增加而缓慢增加,但对于混杂星,一阶模随着星体质量的增加迅速增加,可以超过700。此频率的差异展示了混杂星和纯中子星之间一个明显的区别,并且所有一阶模频率都在当前地面引力波探测器的敏感范围内,因此这可以成为一个区分纯中子星和混杂星的有效观测量。同时我们计算了非径向振荡释放出引力波的阻尼时间和应变振幅。我们发现混杂星具有更短的模振荡的引力波阻尼时间,可低至10,对应于更大的引力波应变振幅和引力波辐射功率,因此比纯中子星更容易探测。综上所述,模振荡可能给予我们窥探中子星核心致密物质的组成形式——是否有强子-夸克相变的最适合窗口。对中子星非径向振荡的研究有助于理解致密核物质结构和形态以及引力波辐射,对粒子物理和天体物理都具有重要意义。

关键词：中子星强子-夸克相变非径向振荡引力波