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具有典型磁矩的中子双星系统中引力波向电磁波的转化

吴张晗  
【摘要】:引力波是爱因斯坦广义相对论的直接推论,对引力波的检测,是对广义相对论最有效和最严格的检验,也是对广义相对论最有效和最激动人心的检验。目前引力波存在的唯一证据是由中子双星辐射阻尼效应对其的间接证明。当今世界已开展了大量的关于引力波探测的理论和实验工作。本文就是考察了引力波的若干电磁效应,提出了一类新的探测方案并讨论了其可能性,同时扩展了相关的另一类探测方案,使其更加接近实验。 由于引力波的微弱性,产生足够强的引力波需要大质量的剧烈运动,但这在宇宙中是广泛存在的。另外,宇宙早期大爆炸留下的遗迹引力波也是一个很好的观测源。许多天体或天文事件(中子双星,黑洞碰撞等)都能辐射引力波,现今大多数的理论和实验研究都围绕这类天体进行。而在这类天体中不少是被强磁场所包围,在这种情形下,天体辐射的引力波与它周围磁场的相互作用就有可能为引力波探测提供另一种可能的途径,从而与现在流行的地面或空间的激光干涉引力波探测(LIGO,LISA等)形成很好的互补性。本文考察了由于引力波与天体磁场的相互作用而导致的由中子双星等天体辐射的准球面引力波向电磁波的转化。通过求解Einstein-Maxwell方程,并在考虑合适的边界条件下,我们得到了扰动电磁场的解析表达式。上述结果可以解释由引力波产生的扰动电磁场的若干性质,如强度、相位关系和极化等。数值估算表明,银河系中心附近具有典型磁矩的中子双星辐射的引力波所产生的电磁扰动能流,在地球上可望达到10~(-8)W/m~2。探测和区分这种扰动电磁场将为引力波的存在提供合理的证据和新的探测窗口。同时,还有可能为解释宇宙微波背景辐射的非均匀性和伽马射线爆的成因等现象提供有益的参考。在这一部分还讨论了存在的问题以及可能的解决方案。 基于引力波(引力子)和电磁波(光子)相互作用的研究,李芳昱教授提出了用高斯束的谐振响应显示高频引力波的全新方案。该方案给出了一个引力波通过同时存在高斯光束和均匀静磁场区域扰动解,并且发现,在同步谐振条件下可望得到数量可观的扰动光子流,从而证明引力波的存在。这一方案已得到国际同行的认可。为了获得该方案更现实的模型,为实验开展提供理论基础,本文计算了当平面双极化态引力波通过一类实验室更加容易实现的静磁场,即满足高斯分布的非均匀磁场时的能量转化情况,得到了扰动电磁场的精确表达式。这一组计算避免了使用驻波边界条件,使得所求得的解具有更大的普遍性。 将高斯谐振响应模型中的均匀磁场替换为上述高斯分布的非均匀场,我们得 重庆大学硕士学位论文 出了该情形下的引力波与高斯束的谐振扰动能流的表达式。这一工作将无疑让高 斯束谐振引力波显示方案更加现实,从而为相关研究从理论上提供了新的依据和 观点。


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