“脉冲星天线阵”及其对 “宇宙原初引力波”的限制

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“ 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 & 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

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

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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？。。。

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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 Pre-inflation 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

• 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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Primordial Power Spectrum--- encodes the inflation information

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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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(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

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宇宙原初引力波的理论 , 探测及其宇宙学应用------ 宇宙原初引力波的探测 : 宇宙微波背景辐射

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 B-mode spectrum.

For the ideal experiment, where only the reduced cosmic lensing contamination is considered.

Detection limit:

(WZ & Baskaran 2009)

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宇宙原初引力波的理论 , 探测及其宇宙学应用------ 宇宙原初引力波的探测 : 脉冲星天线阵

Pulsar Earth

Photon Path

G-wave

31Jenet et al.

2006

探测现状------ PPTA, EPTA, NANOGrav.

32Jenet et al.

2006

L1: Current PPTA

L2: Current EPTA

L3: Current NANOGrav.

L4: Future PPTA * 20 Pulsars * 5 years * 100 ns

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FAST * 50 Pulsars

* 30 ns * 5yr, 10yr, 15yr, 20yr

SKA * 100 Pulsars * 50 ns * 10 years

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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）

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对暴涨时期“哈勃参数”的限制

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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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各种观测因素的影响

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脉冲星个数

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脉冲星噪音大小

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总的观测时间

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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！

“脉冲星天线阵”及其对 “宇宙原初引力波”的限制

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