数值相对论与双中子星并合

双中子星并合过程的引力波信号GW170817已经成功被LIGO直接探测,并合过程中的电磁对应体:短伽马射线暴GRB170817A以及光学、红外、紫外波段的千新星AT2017gfo也被多个天文台一同探测到,这标志着多信使天文学时代的开始。而数值相对论,即用数值模拟的方法研究双星并合的过程,在引力波探测、理解引力波源性质等方面起到举足轻重的作用。除此之外,数值相对论模拟的结果,也是我们理解千新星观测现象的重要工具。文章将回顾数值相对论建立、发展的历史,并介绍其在引力波探测、理解观测现象中所扮演的重要角色。     

天文学家目击中子星相撞

<正>近十来年,天文学重大突破之一是成功地协同观测中子星相撞时产生的引力波和电磁波信号。这一发现始于2017年8月17日(故编号为GW170817):随着激光干涉引力波天文台(LIGO)和室女座干涉仪(Virgo)合作组对引力波的发现、定位以及费米伽马射线空间望远镜(Fermi)的快速认证,超过70多台地面和空间探测设备在X射线、可见光、红外、射电等波段捕获了该并     

双中子星并合的中微子信号

2017年8月17日,LIGO/Virgo首次探测到了双中子星并合事件的引力波信号,随后多波段的跟进观测获得了GW170817事件的多波段"全息"图像并确认源头在40 Mpc外的NGC4993星系,但颇为遗憾的是(尽管与理论预期符合)当时全球运行中的中微子探测器都没有探测到与GW170817相关联的中微子。普遍认为,热中微子在双星引力潮汐撕裂绕行阶段就会产生,在并合事件后的十几毫秒内达到峰值;若并合中心产物为伽马射线暴或者稳定的磁星,还会在并合的即刻至数天内产生超高能中微子。因此,中微子信号不仅可以辅助研究并合后的产物环境,还可以在天文尺度上研究中微子的基本性质和寻找粒子物理标准模型之外的新物理。即使只探测到一个热中微子事件,也可以获得热中微子的能谱标度信息和诊断并合后十几毫秒内星体本身和周围环境的物理参数。另外,因为引力波以光速传播,通过热中微子信号相对引力波信号的时延,可限制中微子的绝对质量。若探测到延迟的高能中微子信号,除了可以清楚地证明双中子星并合的中心产物是磁星,还可以研究并合产物附近的磁场环境和宇宙射线加速机制。     

《中国光学》“空间引力波探测”专题征稿

正2016年2月12日,美国LIGO地面引力波探测实验组正式宣布人类历史上第一次直接观测到了宇宙中双黑洞并合产生的引力波信号,开启了迈向引力波天文学的新纪元。2017年10月3日,2017年诺贝尔物理学奖授予三位LIGO引力波实验组的科学家,以奖励他们在"LIGO探测器以及引力波探测方面的决定性贡献"。2017年10月16日,美国LIGO和意大利室处女座引力波天文台(Virgo)联合宣布于2017年8月17日首次     

第三个引力波事例GW170104

<正>5月31日,LIGO和Virgo科学合作组织举行了一次内部媒体发布会,正式宣布在高级LIGO探测器上探测到第三个引力波事例GW170104。与前两个事例一样,它也是由两个相互旋绕的黑洞合并时产生的。合并之前两个黑洞的质量分别为31.2和19.4个太阳质量,合并后形成了一个48.7太阳质量的黑洞。大约有2个太阳质量的能量以引力波的形式释放出来。该事例被分别位于汉福德和利文斯顿的两个高级LIGO探测器同时观测到,信号到达汉福德探测器的时间比到达利文斯顿探测器的时间早3毫秒。整个信号过程持续了短短的0.1秒,波源到探测器的距离为30亿光年。从去年11月30日开始,高级LIGO探测器在进一步改进和调节之后开始了第二次运行,预计今年8月份结束。美国LIGO的同事告知,到目前为止,     

封面故事

<正>北京时间2017年10月16日晚,激光干涉引力波天文台(LIGO)科学合作组织和处女座引力波探测器(Virgo)合作组织联合召开发布会,宣布再次探测到时空的涟漪——引力波及其伴随的电磁信号,正式编号GW170817。这是人类首次直接探测到两颗中子星并合产生的引力波事件,发生在1.3亿光年外的编号为NGC 4993的星系中。此次引力波事件具有极为重要的意义,引力波及其电磁对应体的发现,有助于科学家结合不     

最初的梦想——我和物理之间的那点往事

正2015年9月14日,人类首次直接观测到来自宇宙深处两个黑洞并合撞击产生的引力波。这是第一个被激光干涉引力波天文台(LIGO)捕获的信号,经历漫漫时空13亿光年到达地球,验证了爱因斯坦一百多年前的预言,从此开启了引力波天文学一段激动人心的征程。2014年7月,我在澳大利亚墨尔本大学开始攻读物理PhD,加入LIGO科学合作组织,直接参与了     

于高山之巅仰望星辰——小记“拉索”对史上最亮伽马射线暴的观测

<正>1 “拉索”的实验观测北京时间2022年10月9日晚,费米卫星记录到天空中的一个伽马射线暴(以下简称伽马暴),根据国际惯例命名为GRB221009A。其巨大的伽马射线流量引起了多个国际实验探测器发生了饱和效应。随后经过全球多个探测器的对比,     

时空的乐章——引力波百年漫谈(一)

<正>一、称不上源头的源头2016年2月11日,美国激光干涉引力波天文台(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory,简称LIGO)宣布观测到了引力波。这是在经过近半个世纪的不成功尝试之后,人类首次观测到了这种曾被爱因斯坦(A.Einstein)预言过的现象。LIGO观测到引力波的消息激起了媒体和公众的极大兴趣,甚至一度致使LIGO网站因访客过多而瘫痪。LIGO观测到的引力波来自一对黑洞的合并,这对黑洞的质量均     

从引力波探测到包含引力波的多信使天文学

2015年9月14日,LIGO实现了人类的第一次引力波直接探测.该实验结果在2016年2月公布,并被命名为GW150914.随后引力波探测的进展非常迅速.到目前为止已确认双黑洞并合引力波探测结果 4例,分别包括GW150914,GW151226,GW170104和GW170814.已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在2016年以来发展也异常的迅速.本文将对引力波探测和引力波天文学相关的理论物理问题做简要的介绍和展望.特别是引力波天文学能够研究的理论物理问题、引力波数据处理所涉及的理论问题和引力波理论描述的问题,本文做了较为详细和深入的介绍,同时还讲述了著名科学家如爱因斯坦等在相关问题上的研究故事.     

快速射电暴及其与伽马射线暴相关

目前人们共发现快速射电暴65个,其中重复的快速射电暴有2个。快速射电暴的物理起源以及其中心引擎模型尚不清楚,伽马射线暴同快速射电暴一样都是宇宙中极端的能量爆发现象。研究伽马射线暴与快速射电暴的关系可以更好的理解快速射电暴的起源。本文从观测出发,对目前发现的65个快速射电暴以及6191个伽马射线暴进行统计分析,发现在各自的误差半径内有1062个伽马射线暴与65个快速射电暴在空间方位上重合,以当前样本进行的随机模拟实验结果显示平均有922±41(1σ)个伽马射线暴与快速射电暴重合。结果间接支持GRBs可能与FRBs成协。     

激光干涉引力波天文台

<正>激光干涉引力波天文台(LIGO)由分别在华盛顿州的汉弗德(Hanford)和路易斯安纳州的利弗斯通(Livingston)的两台孪生引力波探测器组成,它们彼此相距3000千米。当两个探测器同时探测到信号,才有可能是引力波。该天文台建于1999年,2002年开始运行,2015年9月14日探测到信号。     

百年预言成真:引力波的存在被证实

正美国当地时间2016年2月11日,美国国家科学基金委员会(NSF)召集来自加州理工学院、麻省理工学院以及美国的激光干涉引力波天文台(LIGO)科学合作组织的科学家代表在华盛顿国家新闻中心向世界宣布:加州理工学院、麻省理工学院和LIGO科学合作组SLC的科学家利用设在华盛顿州汉福德的高级激光干涉仪引力波探测器(Advanced LIGO)H1和位于路易斯安娜州利文斯顿的相同的实验设备L1发现     

激光干涉引力波探测器——人类的宇宙助听器

爱因斯坦预言引力波100周年之际,人类首次直接探测到引力波信号。文章简单介绍了这次的主角——高新激光干涉引力波天文台(advanced LIGO)的光学与激光部分技术。激光干涉引力波探测器,本质上是一个迈克尔孙干涉仪。原初的迈克尔孙干涉仪也曾在否定以太理论、促使相对论创立的过程中起关键作用。而基于爱因斯坦受激发射理论发展起来的激光技术也在引力波探测中立下汗马功劳。出于协同测量与定位以及扩展引力波探测频段等方面的考虑,除LIGO之外,还有多个地面和空间激光干涉引力波探测器在建或在研。可以预计,当前只是引力波探测技术与引力波天文学发展的开端。     

多波段引力波宇宙研究和空间太极计划

正1.引言2016年2月11日激光干涉引力波天文台(LIGO)实验组宣布直接观测到由两颗恒星级黑洞在十多亿年前并合后产生的引力波;时隔仅仅四个月,在6月16日LIGO宣布再一次观测到双黑洞合并产生的引力波信号。这两次实验结果不仅是对100年前爱因斯坦广义相对论所预言的引力波的直接验证,更为人类进一步探索宇宙的起源、形成和演化提供了一个全新的观测手段,也为深入研究超越爱因斯坦广义相对论的量子引力理论提供了实验基础。通过探测各个频段的引     

基于强磁场和弱光子流检测的高频引力波探测系统

正一、引言2016年2月11日,美国国家自然科学基金委员会,携美国加州理工、麻省理工以及美国的激光干涉引力波天文台(Laser Interferometer Gravitational Wave Observation,简称LIGO)合作团队,发布了LIGO探测到引力波证据的报道。据悉,这是一个来自13亿光年之遥的两个巨大黑洞合并过程产生的中频引力波(频率从35Hz到250Hz),这一引力波在地球上的     

基于普通物理分析LIGO引力波数据

LIGO小组首次直接探测到双黑洞并合过程中产生的引力波辐射,打开了观测宇宙的一个全新窗口.本文利用牛顿力学,量纲分析,以及将引力波与电磁波类比等方法分析了LIGO小组观测到的引力波数据.这些简单的分析能够解释LIGO数据的主要物理结论,估算结果在数量级上与LIGO数据基本一致.本文对黑洞质量,引力波源到地球的距离,双黑洞并合前的初始距离,以及辐射的总能量等参数的估算与LIGO和VIRGO小组给出的结论基本一致.(2017美国物理教师协会)     

在引力波探测器中使用更强的量子压缩

正安装在现行引力波探测器中的新硬件,使用量子效应来提高灵敏度,并将事件检出率提高50%。自2015年以来,引力波探测,在美国的两台先进LIGO和意大利Virgo探测器中,已成为常态工作,为天文学打开了一扇新的视窗。现在,LIGO和Virgo的合作团队已分别发表论文展示他们对探测器的改进成果:使用量子物理,抑制信号中的随机噪声。该方案提高了探测器的灵敏度,将使预期的事件检出率提高20%至50%。     

Rainer Weiss：引力波探测的50年

<正>作为构思和实现历史上最大实验之一的核心的实验物理学家,诺贝尔奖获得者Rainer Weiss通往成功的路径是不同寻常的。2015年,在爱因斯坦提出广义相对论一百年后,位于美国的激光干涉引力波天文台(LIGO)首次探测到引力波,证实了广义相对论的最后一个预言。2017年,Rainer Weiss由于对LIGO探测器与引力波探测的决定性贡献,与Barry Barish和Kip Thorne共享了诺贝尔物理学奖。     

引力波:时空的涟漪,天球的乐音

激光干涉引力波天文台(LIGO)的引力波观测打开了认识宇宙的新窗口。文章从引力场方程的线性化开始,介绍了引力波的弱场近似解、四极辐射、波源和频率以及黑洞结合的模拟波形。最后借Kip Thorne关于引力波的预言和猜想,呈现引力波宇宙学的前景。