“宇宙原初引力波”?

Report
“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)
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
 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
暴涨宇宙学模型(甚早期的e指数膨胀过程)
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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”!
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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?。。。
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
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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.

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)
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
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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
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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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11/29/12
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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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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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
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(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
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
2015/4/8
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Planned CMBPol (COrE, LiteBird) 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 Bmode spectrum.

For the ideal experiment, where only
the reduced cosmic lensing
contamination is considered.

Detection limit:
(WZ & Baskaran 2009)
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
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
Pulsar
Earth
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Jenet et al. 2006
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探测现状
------ PPTA, EPTA, NANOGrav.
Jenet et al. 2006
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L1: Current PPTA
L2: Current EPTA
L3: Current NANOGrav.
L4: Future PPTA
* 20 Pulsars
* 5 years
* 100 ns
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探 测 前景
------ FAST, SKA et al.
FAST
* 50 Pulsars
* 30 ns
* 5yr, 10yr, 15yr, 20yr
SKA
* 100 Pulsars
* 50 ns
* 10 years
WZ et al. 2013
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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)
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对暴涨时期“哈勃参数”的限制
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38
对“张标比”和“谱指数”的限制
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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
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------
各
种
观
脉测
冲因
星素
个的
数影
响
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------
各
种
脉观
冲测
星因
噪素
音的
大影
小响
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------
各
种
观
总测
的因
观
测素
时的
间影
响
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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。
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谢谢!
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