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“脉冲星天线阵”及其对 “宇宙原初引力波”的限制

“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. 1. 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)

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“脉冲星天线阵”及其对 “宇宙原初引力波”的限制

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  1. “脉冲星天线阵”及其对“宇宙原初引力波”的限制“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 1

  2. 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 & Zhu, Phys.Rev.D (2013) 2

  3. 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

  4. 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

  5. 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 暴涨宇宙学模型（甚早期的e指数膨胀过程） 5

  6. 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

  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

  8. 什么是“宇宙原初引力波”？------ 宇宙演化“简史”: inflation+LCDM 10

  9. 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？。。。

  10. 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． 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 12

  11. 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)！ 13

  12. 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^{-18}Hz to 10^{10}Hz 14

  13. 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 15

  14. 宇宙原初引力波的理论,探测及其宇宙学应用------ 原初功率谱 16

  15. 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？ 17

  16. 11/29/12

  17. 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) 19

  18. 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 20

  19. 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 .................. 21

  20. 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

  21. 23 (Smith et al 2006; WZ & Zhang 2006a)

  22. 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

  23. 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

  24. 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 2014/9/7 26

  25. Planned CMBPol (COrE, LiteBird) experiment (see CMBPol white book for details) (WZ, JCAP, 2011b)

  26. 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 2009) Ideal CMB experiment

  27. 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

  28. 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 Pulsar Earth Photon Path G-wave 30

  29. Jenet et al. 2006 31

  30. 探 测 现 状------ PPTA, EPTA, NANOGrav. Jenet et al. 2006 32

  31. L1: Current PPTA L2: Current EPTA L3: Current NANOGrav. L4: Future PPTA * 20 Pulsars * 5 years * 100 ns 33

  32. FAST * 50 Pulsars * 30 ns * 5yr, 10yr, 15yr, 20yr SKA * 100 Pulsars * 50 ns * 10 years 探 测 前景------ FAST, SKA et al. WZ et al. 2013 34

  33. 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

  34. 对暴涨时期“哈勃参数”的限制 36

  35. 37

  36. 38

  37. 对“张标比”和“谱指数”的限制 39

  38. 40

  39. 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

  40. 各种观测因素的影响------ 脉冲星个数 42

  41. 各种观测因素的影响------ 脉冲星噪音大小 43

  42. 各种观测因素的影响------ 总的观测时间 44

  43. 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

  44. 谢谢！ 46

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