殘余引力波、高頻引力波探測器和宇宙暗能量的一些研究.pdf

1、本文主要介紹在張楊教授的指導(dǎo)下我對宇宙殘余引力波、高頻引力波探測器和暗能量模型的一些研究結(jié)果。這幾個(gè)方面都是宇宙學(xué)和引力波中重要的前沿課題。本文共分為六章。
　　 第一章我們簡述宇宙學(xué)的背景知識(shí)，殘余引力波，引力波探測器和暗能量的研究現(xiàn)狀和最新進(jìn)展，以及我們在這幾個(gè)方面所作的一些工作。殘余引力波攜帶了極早期宇宙的信息，是我們認(rèn)識(shí)早期宇宙暴漲最重要的手段之一，對研究早期宇宙具有極為重要的意義。高頻引力波探測器是全新的引力波探測技術(shù)

2、，主要利用電磁波和引力波的相互作用帶來的可觀測效應(yīng)，這是一門新興的技術(shù)，是對其他頻段引力波探測器的有益補(bǔ)充。而暗能量則是宇宙學(xué)中極其熱門的課題，各種模型層出不窮，當(dāng)然也存在一些困難，例如巧合性問題、精細(xì)調(diào)節(jié)問題等等。同時(shí)我們也介紹了Friedmann宇宙最基本的知識(shí)。
　　 第二章中首先介紹引力波的一些基本理論，宇宙中存在的引力波源及各頻段的探測。然后我們討論了宇宙殘余引力波的量子起源、各階段的解析解和轉(zhuǎn)移函數(shù)的性質(zhì)。接著我們研

3、究了暴漲的張量型跑動(dòng)譜指數(shù)對殘余引力波譜的影響，發(fā)現(xiàn)在高頻部分，不同的張量型跑動(dòng)譜指數(shù)αt對殘余引力波譜和能量功率譜影響非常明顯。越大的αt會(huì)產(chǎn)生越大的殘余引力波譜h(υ,τ0)，同時(shí)也使引力波的能量功率譜Ωg(υ)越明顯地偏離于“平”的尺度不變譜。我們將理論預(yù)言的引力波同目前正在運(yùn)行或未來要運(yùn)行的激光引力波干涉儀探測器，包括LIGO、AdvLIGO、LISA，以及低溫共振棒探測器EXPLORER和共振腔探測器MAGO進(jìn)行了量級(jí)上的對比

4、，分析了探測的可能性。最后，我們用LIGO S5的最新運(yùn)行結(jié)果限制了殘余引力波的參數(shù)β和αt，并計(jì)算了不同β和αt值的信噪比。
　　 第三章和第四章我們介紹兩種利用電磁波和引力波的直接相互作用的高頻引力波探測器。第三章主要介紹一種新型的微波激光引力波探測器，其探測頻段在GHz附近。由于引力波的存在，垂直于激光的傳播方向會(huì)產(chǎn)生與激光同頻率擾動(dòng)的光子流，這可以通過微波接收機(jī)探測到。首先，我們給出了探測器的構(gòu)造，接著我們詳細(xì)的討論了這

5、種探測器的探測原理，估計(jì)了該探測器的靈敏度。然后我們分析了這種探測器對殘余引力波探測的可能性，最后我們指出了這種探測器的不足及改正方案。因?yàn)檫@種探測器的建造成本并不太高，靈敏度也非常高，所以是非常值得去投入建造的。第四章我們介紹環(huán)形波導(dǎo)腔引力波探測器，其探測頻段在100MHz附近。在環(huán)形波導(dǎo)腔中傳播的電磁波的極化矢量在引力波的影響下會(huì)隨著時(shí)間偏轉(zhuǎn)，這種偏轉(zhuǎn)與引力波的幅度成正比。通過電磁探針可以將偏轉(zhuǎn)角度測定，以此來估計(jì)引力波的強(qiáng)度。類似

6、于第三章，我們也依次討論了探測器的構(gòu)造、探測原理、以及探測器的靈敏度等等。
　　 第五章首先介紹了暗能量的一些觀測證據(jù)、暗能量模型中普遍存在的兩個(gè)問題：精細(xì)調(diào)節(jié)問題和巧合性問題。接著簡要論述兩種最流行的宇宙學(xué)模型：宇宙學(xué)常數(shù)模型和標(biāo)量場模型。然后討論了我們在真空能衰減模型、兩圈Yang-Mills場凝聚模型和有效標(biāo)量場模型做過的一些工作。真空能衰減模型認(rèn)為暗能量的能量密度正比于哈勃參數(shù)H，一定程度上緩解了精細(xì)調(diào)節(jié)問題，同時(shí)也比較

7、容易解釋高紅移宇宙年齡問題。我們也畫出了真空衰減模型和兩圈Yang-Mills場凝聚模型的Statefider和Om診斷。隨著觀測技術(shù)的發(fā)展，我們可以利用觀測數(shù)據(jù)通過Statefider和Om診斷來鑒別不同的暗能量模型。在量子Yang-Mills場模型的啟發(fā)下，我們構(gòu)造了有效標(biāo)量場的拉氏量。與Yang-Mills場模型不同，這不是矢量場而是標(biāo)量場模型。通過計(jì)算，我們還發(fā)現(xiàn)該模型可以很好的解釋巧合性問題，但是不能解決精細(xì)調(diào)節(jié)問題。通過穩(wěn)定