宇宙微波背景辐射偏振性各向异性及引力波课件

1、1, CMB 各向異性和偏振大爆炸宇宙: 宇宙是從早期高溫高壓演化而來。重要證據之一 ：宇宙中存在2.7k的微波背景輻射（CMB）。大爆炸發現和研究的历史：爱因斯坦（1916）：静态宇宙模型 de Sitter（1931）：膨胀宇宙模型（加速）哈勃（1929）： 宇宙在膨胀中Gamow（1946）： 大爆炸提出、核合成模型Penzias & Wilson (1965): 宇宙微波背景辐射Mather & Smoot（1992）: CMB的各向异性Riess & Perlmutter (1998)：宇宙加速膨胀11, CMB 各向異性和偏振大爆炸宇宙: 宇宙是從早期高溫Penzias & Wil

2、son微波背景辐射Penzias & Wilson微波背景辐射今天宇宙中充滿了 T=2.723 K的微波背景辐射，波長在0.1cm附近，是幾乎完美的Planck黑體譜， p = /3 ( 2/15) T4, () = h/(eh/kT -1),3今天宇宙中充滿了 T=2.723 K的微波背景辐射，波長在CMB如何產生的？在宇宙早期，温度 T 3000 K (年龄38万年，z1100)电子 + 质子 = 氢原子 + 光子自由的光子, T1/a(t)，就成为今天的CMB，T 2.7K 。仍然是幾乎完美的黑體譜。幾乎？就是還不完美，存在不均勻，即溫度各向異性和偏振。4CMB如何產生的？在宇宙早期，温

3、度 T 3000 K COBE (Mather & Smoot)背景辐射有10-5大小的温度起伏，不同的颜色。这是我们能看到的宇宙的最早图象。今天，140亿年幼年，38万年COBE (Mather & Smoot)背景辐射有16677CMB 觀測結果（WMAP 2003）8CMB 觀測結果（WMAP 2003）8991010以上，是大大簡化了的結果。還有一系列宇宙學的因素要考慮，將修正簡化結果。理論上可以計算出這些因素的效應，再與觀測比較，從而確定一系列的宇宙學參數（模型）。這對推進宇宙學的進展是巨大的。11以上，是大大簡化了的結果。還有一系列宇宙學的因素要考慮，以下因素：12以下因素：121

4、31314142，CMB的偏振152，CMB的偏振151616171718於是，得到CMB的四個譜：18於是，得到CMB的四個譜：19注意，度規擾動 hij 包括兩部份：標量型擾動（密度擾動）；張量型擾動（引力波）；它們所誘導的CMB譜是不同的。密度擾動只能產生CTT,CEE,CTE，不產生CBB,引力波可以產生全部4個譜。具體說，19注意，度規擾動 hij 包括兩部份：標量型擾動（密度20In the expanding universe with Robertson-Walker metric ds2=a2(t) -dt2 + (ij+hij) perturbations hij hij/

5、3+hij| (scalar) +hij (vector) +hijT (tensor, RGWs)both scalar (density perturbation) and tensor (RGWs) modes are generated during the inflationary stage of the very early universe, and both will enter the Sachs-Wolfe term and generate CMB anisotropies and polarization.20In the expanding universe wi2

6、1 anisotropies polarization引力波情況下的光子氣體的Boltzmann 方程 ： Equivalent to ：with21 anisotropies 引力波情22近似解析解：wherewith c 0.6, b 0.822近似解析解：wherewith c 0.6, b2323引力波產生的全部4個譜（解析解）：24引力波產生的全部4個譜（解析解）：2425類似地，密度擾動情況下的Boltzmann eq:formal sol. ：25類似地，密度擾動情況下的Boltzmann eq:for26近似解析解：其中 動量積分，給出譜：26近似解析解：其中 動量積分，給出譜

7、：密度擾動產生的3個譜（解析解）：27密度擾動產生的3個譜（解析解）：2728282929303031313，宇宙再電離（reinization）的影響32- possibly by first generation of luminous stellar objects- likely occurred z = (6 20), uncertain yet; WMAP5 :（sudden re-ionization ）z = 11 (95%CL).- a major process secondary only to the decoupling 這也是未來的CMB研究的重點3，宇宙再電離（r

8、einization）的影響3233引力波情況下再電離的譜： Phys.Rev.D79, 083002 (2009)33引力波情況下再電離的譜： Phys.Re匯總起來：解析解、數值解、觀測的比較：34匯總起來：解析解、數值解、觀測的比較：34WMAP觀測的譜：35WMAP觀測的譜：35 Before WMAPWMAP: High precision Before WMAPWMAP: HigCMB未來仍然是宇宙學的主要研究領域，其中CBB的探測，再電離研究將是主要課題。37CMB未來仍然是宇宙學的主要研究領域，其中CBB的探測，4，引力波簡介384，引力波簡介3839394040 J Webe

9、r 1960s 铝棒引力波探测器41 J Weber 1960s 铝棒引力波探测器41LIGO探測器42LIGO探測器42VIRGO探測器43VIRGO探測器43LISA空間探測器44LISA空間探測器44455，殘餘引力波（Relic Gravitational Waves）宇宙極早期暴漲時期產生RGW，它取決於初始條件: A, , T :455，殘餘引力波（Relic Gravitational 46 RGW的主要特點：隨機背景，譜非常寬，任何時期、任何地方存在。 是一個主要的探測目標。low frequencies CMB (10-1810-14) Hz WMAP, Planck, CM

10、BPol, etc pulsar timing 10-9 Hz PPTA, etc medium frequencies cavity: 104 Hz MAGO, EXPLORER laser interferometer: ground, 102103 Hz LIGO, VIRGO, etcspace, 10-3100 Hz LISA，ASTROD, etchigh frequenciesGaussian laser beam 109 1010 Hz waveguide 108 Hz (Cruise & Ingley)46 RGW的主要特點：隨機背景，譜非常寬，任何時期、47一些宇宙物理過程

11、影響RGWs, such as free-streaming； uudp , QCD phase transition； e+e-2, annihilation； accelerating expansion (dark energy )； 47一些宇宙物理過程影響RGWs, such as f48inflation index ：Class. Quant. Grav. 23, 3783 （2006）48inflation index ：Class. Qu49 running index T ：Phys.Rev.D80 084022 （2009）49 running index T ：Phys

12、.Rev50neutrino free-streaming; Phys.Rev.D75, 104009 (2007）50neutrino free-streaming; Phy51 Phys.Rev.D77, 104016 (2008)QCD phase transition, e-e+ annihilation, 51 Phys.Rev.D77, 104016 52Dark energy Phys.Rev.D80, 084022 (2009)52Dark energy Phys.Rev.D80,53可能探測：LIGO, LISA, AIGO, LCGT, DECIGOPhys.Rev.D80

13、 (2009) 08402253可能探測：LIGO, LISA, AIGO, LCG54PPTA54PPTA55LIGO S5, cross-correlation of H1 and L1,the signal-noise ratio isPhys.Rev.D81 101501 （2010）55LIGO S5, cross-correlation o56gw depends on and 56gw depends on and 6，引力輻射（Gravitational radiation）57For Binary Black Holes,可以採用后牛頓近似方法，目前已經發展到3.5PN的軌道，2PN輻射，以及自轉效應。Will, Blanchett, Wiseman, et al6，引力輻射（Gravitational radiation我們具體關注OJ287, 巨雙黑洞，m1=1.84x1010 Mo，m2=1.46x108 Mo，z=0.30658我們具體關注OJ287, 巨雙黑洞，m1=1.84x101計算了軌道，按照最小方差，定出了軌道參數：59計算了