NSR綜述 引力波物理

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引 言

《國家科學評論》（National Science Review，NSR）最近發表了由蔡榮根、曹周鍵、郭宗寬、王少江和楊濤等五位作者共同撰寫的綜述文章。文章介紹了暴脹時期產生的引力波，重加熱時期產生的引力波，一階相變產生的引力波，雙星系統的引力波，以及引力波作為宇宙學研究的標準汽笛等方面的內容。

The Gravitational-Wave Physics

(https://doi.org/10.1093/nsr/nwx029)

2015年9月14日位於美國的激光干涉引力波天文台（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO）探測到來自雙黑洞併合的引力波，開啟了引力波天文學的新時代。2017年8月17日位於美國的LIGO和位於義大利的Virgo又聯合探測到了雙中子星併合的引力波，開啟了多信使天文學的新時代。引力波的探測為人類探索宇宙的深層次奧秘提供了新的手段。2017年的諾貝爾物理學獎授予了對引力波探測作出傑出貢獻的三位美國物理學家。

無論是輔助引力波實驗數據的處理還是通過引力波研究基礎物理問題，都需要我們對引力波源有系統、深入的理解。可探測引力波的來源一般可以分為兩類：一類來自早期宇宙學，另一類來自天體物理過程。來自早期宇宙的引力波可以產生於暴脹、重加熱和一階相變等時期，而來自天體物理過程的引力波可以產生於雙星系統（包括黑洞、中子星、白矮星以及其他緻密天體）、超新星爆發、星系碰撞和非球對稱中子星的自轉等過程。暴脹時期產生的引力波可以在微波背景輻射上留下被稱為B模式的獨特印記，它對於確定暴脹能標具有重要意義。重加熱時期產生的引力波頻率極高，不易探測，但是對於理解暴脹子是如何衰變為粒子物理標準模型粒子的這段非微擾過程具有重要意義。一階相變時期特別是電弱相變時期產生的引力波有望被空間引力波探測器捕捉，可以為我們提供超出粒子物理標準模型的新物理的線索。

雙星系統（以雙黑洞系統為例）產生的引力波波形。

如圖所示，前期繞轉時期的引力波波形可以用後牛頓近似計算，中期併合時期的引力波波形可以用數值廣義相對論模擬計算，後期鈴盪時期的引力波波形可以用黑洞微擾理論計算，所以雙星系統引力波探測可以幫助我們限制天體物理的一些過程以及超出廣義相對論的引力理論。因此，作為獨一無二的探測手段，未來更多的引力波探測實驗將幫助我們進一步理解包括引力理論、天體物理、宇宙學演化乃至粒子物理模型在內的基礎物理。

《國家科學評論》最近發表了由中國科學院理論物理研究所蔡榮根研究員、中國科學院數學與系統科學研究院應用數學研究所曹周鍵研究員、中國科學院理論物理研究所郭宗寬研究員、中國科學院理論物理研究所博士研究生王少江和楊濤等五位作者共同撰寫的「The Gravitational-Wave Physics」綜述文章（https://doi.org/10.1093/nsr/nwx029）。文章介紹了暴脹時期產生的引力波，重加熱時期產生的引力波，一階相變產生的引力波，雙星系統的引力波，以及引力波作為宇宙學研究的標準汽笛等方面的內容。

文章信息：

The Gravitational-Wave Physics

Rong-Gen Cai, Zhoujian Cao, Zong-Kuan Guo, Shao-Jiang Wang and Tao Yang

Natl Sci Rev, 2017; 4(5): 687–706

https://doi.org/10.1093/nsr/nwx029

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