在現有的引力理論中，廣義相對論是能通過到目前為止所有引力實驗檢驗的、最為簡潔的引力理論之一。下面由學術堂為大家整理出一篇題目為“引力波探測相關研究綜述”的天文學論文，供大家參考。
原標題：引力波探測和引力波天文學
一、引力波理論基礎
引力相互作用是目前人類已經認識的四種基本相互作用之一。廣義相對論是愛因斯坦在1915年提出的引力理論。在現有的引力理論中，廣義相對論是能通過到目前為止所有引力實驗檢驗的、最為簡潔的引力理論之一。光線偏折、時間延遲、引力紅移、黑洞等廣義相對論的理論預言一一被實驗所證實。引力波也是廣義相對論的重要理論預言之一。泰勒（J. Taylor）和赫爾斯（R. Hulse）通過對雙星系統PSR1913+16的觀測間接證明了引力波的存在，他們也因此獲得1993年的諾貝爾物理學獎。但直到現在人們還沒有直接觀測到引力波。
現存的幾乎所有引力理論都預言了引力波的存在。下面我們介紹廣義相對論對引力波的理論描述。在廣義相對論中，引力由時空幾何來描述，引力波也就對應時空幾何的波動。在時空中除引力外不受力的測試粒子沿測地線運動。測地線對應我們常見的歐氏幾何中的直線。沒有引力存在的時空對應的幾何是最簡單的非歐幾何--閔氏幾何，其上的測地線也是直線。引力的存在將導致時空的彎曲，這時的幾何將是復雜的非歐幾何，其上的測地線也變成復雜的曲線。通常我們把時空中除引力外不受力的粒子叫做測試粒子。兩個相鄰的測試粒子各自沿時空的測地線運動，當時空幾何發生波動時，它們之間的距離也隨之發生波動。該過程定量地由測地偏離方程描述（感興趣的讀者請參閱梁燦彬、周彬所著《微分幾何入門與廣義相對論》，上冊公式7-6-8）。
通常，在探測引力波的時空區域，引力場很弱，可以用微擾的辦法來描述引力波。在該方法中，引力波由一個量綱為1（或者說沒有單位）的量h來描述。假設沒有引力波時上述的兩個沿測地線運動的測試粒子間距L0,引力波來了后它們的距離變為
在發射引力波的源端，引力場很強，近似理論一般都失效。引力波在源端的行為分為近場區和波動區如同電磁波的發射一樣，在近場區，波的概念不清楚。人們更關心的是波動區的行為。對于引力波源，波動區在理論上對應為引力波源作為孤立體的漸近區。在漸近平直時空的情況下，這個漸近區可以用邦迪-薩克斯理論框架來描述。在該框架下，引力波描述為消息函數c。其。
再根據（1）可知，邦迪消息函數的一階時間導數對應測試粒子的相對加速度。從以上的討論可見，引力波的行為歸根結底就是時空幾何的行為。但這里的描述只是運動學層次的描述。動力學描述涉及愛因斯坦方程的求解，我們將在第四節中討論。
二、引力波探測器
通過測量引力波對物質的影響即可探測引力波。目前人們有以下五種引力波探測方式。在宇宙早期，引力波對電磁輻射產生影響。這些電磁輻射演化到今天變成宇宙微波背景輻射（CMB）。通過對CMB的相關測量可測量宇宙早期的引力波，這樣的探測器包括BICEP等。宇宙中的星體，如脈沖星、地球等，近似地是孤立系統，所以沿測地線運動。通過測量脈沖星與地球間的距離變化即可測出測地偏離，從而達到測量引力波的目的。脈沖星計時測量就是這樣的測量方式。通過懸掛或者無拖拽等先進技術讓試探物體沿測地線運動，同時通過激光干涉測量試探物體間的距離變化也可達到引力波測量的目的。正在運行的LIGO等地面干涉儀和計劃中的空間引力波探測計劃e LISA和天琴等使用的就是這樣的探測方式。引力波和物體相互作用，在適當的情況下可以導致物體共振，韋伯型共振棒就是通過這種方式測量引力波的。通過測量引力波對高斯型微波光子流的影響也可以達到引力波探測的目的。微波頻帶高頻引力波探測器使用的就是這樣的測量方式。從實際探測的角度看，這些探測器具有不同的測量頻段（如圖1所示）。
CMB探測的引力波頻段在約10-16Hz,脈沖星計時探測的頻段在約10-8Hz,空間引力波干涉儀的探測頻段在約0.01Hz,地面引力波干涉儀以及韋伯型共振棒的探測頻段在約幾百Hz,高斯型微波光子流探測器的頻段在約109Hz.
在引力波探測實驗中，方程（1）動態地表現為
其中L是兩個試探物體的距離，L0是引力波不存在時兩個試探物體的距離，m是試探物體的質量，f是試探物體所受的除引力外的作用力。為了提高實驗靈敏度，f要做得盡量的小，這就是LIGO復雜懸掛系統的動機。理想地，f =0,方程（2）的解可寫為
可見引力波可導致測試物體間的距離變化ΔL=L0h.引力波探測器的靈敏度體現為能分辨的最小h大小。隨著人類精密測量技術的發展，引力波探測器的測量精度也越來越高。典型地，當前LIGO的測量精度約為10-22,脈沖星計時的測量精度約為10-15.在不久的將來，LIGO升級到Advanced LIGO,精度可達10-23;等到平方公里陣列望遠鏡（SKA）建成，脈沖星計時的測量精度可達10-16.考慮到LIGO的測試物體間距約4千米，h≈10-23的測量精度意味著它可以測量出ΔL=L0h≈10-20米的距離變化。這比原子核的直徑10-15米還要小5個數量級！
原標題：引力波探測和引力波天文學
一、引力波理論基礎
引力相互作用是目前人類已經認識的四種基本相互作用之一。廣義相對論是愛因斯坦在1915年提出的引力理論。在現有的引力理論中，廣義相對論是能通過到目前為止所有引力實驗檢驗的、最為簡潔的引力理論之一。光線偏折、時間延遲、引力紅移、黑洞等廣義相對論的理論預言一一被實驗所證實。引力波也是廣義相對論的重要理論預言之一。泰勒（J. Taylor）和赫爾斯（R. Hulse）通過對雙星系統PSR1913+16的觀測間接證明了引力波的存在，他們也因此獲得1993年的諾貝爾物理學獎。但直到現在人們還沒有直接觀測到引力波。
現存的幾乎所有引力理論都預言了引力波的存在。下面我們介紹廣義相對論對引力波的理論描述。在廣義相對論中，引力由時空幾何來描述，引力波也就對應時空幾何的波動。在時空中除引力外不受力的測試粒子沿測地線運動。測地線對應我們常見的歐氏幾何中的直線。沒有引力存在的時空對應的幾何是最簡單的非歐幾何--閔氏幾何，其上的測地線也是直線。引力的存在將導致時空的彎曲，這時的幾何將是復雜的非歐幾何，其上的測地線也變成復雜的曲線。通常我們把時空中除引力外不受力的粒子叫做測試粒子。兩個相鄰的測試粒子各自沿時空的測地線運動，當時空幾何發生波動時，它們之間的距離也隨之發生波動。該過程定量地由測地偏離方程描述（感興趣的讀者請參閱梁燦彬、周彬所著《微分幾何入門與廣義相對論》，上冊公式7-6-8）。
通常，在探測引力波的時空區域，引力場很弱，可以用微擾的辦法來描述引力波。在該方法中，引力波由一個量綱為1（或者說沒有單位）的量h來描述。假設沒有引力波時上述的兩個沿測地線運動的測試粒子間距L0,引力波來了后它們的距離變為
在發射引力波的源端，引力場很強，近似理論一般都失效。引力波在源端的行為分為近場區和波動區如同電磁波的發射一樣，在近場區，波的概念不清楚。人們更關心的是波動區的行為。對于引力波源，波動區在理論上對應為引力波源作為孤立體的漸近區。在漸近平直時空的情況下，這個漸近區可以用邦迪-薩克斯理論框架來描述。在該框架下，引力波描述為消息函數c。其。
再根據（1）可知，邦迪消息函數的一階時間導數對應測試粒子的相對加速度。從以上的討論可見，引力波的行為歸根結底就是時空幾何的行為。但這里的描述只是運動學層次的描述。動力學描述涉及愛因斯坦方程的求解，我們將在第四節中討論。
二、引力波探測器
通過測量引力波對物質的影響即可探測引力波。目前人們有以下五種引力波探測方式。在宇宙早期，引力波對電磁輻射產生影響。這些電磁輻射演化到今天變成宇宙微波背景輻射（CMB）。通過對CMB的相關測量可測量宇宙早期的引力波，這樣的探測器包括BICEP等。宇宙中的星體，如脈沖星、地球等，近似地是孤立系統，所以沿測地線運動。通過測量脈沖星與地球間的距離變化即可測出測地偏離，從而達到測量引力波的目的。脈沖星計時測量就是這樣的測量方式。通過懸掛或者無拖拽等先進技術讓試探物體沿測地線運動，同時通過激光干涉測量試探物體間的距離變化也可達到引力波測量的目的。正在運行的LIGO等地面干涉儀和計劃中的空間引力波探測計劃e LISA和天琴等使用的就是這樣的探測方式。引力波和物體相互作用，在適當的情況下可以導致物體共振，韋伯型共振棒就是通過這種方式測量引力波的。通過測量引力波對高斯型微波光子流的影響也可以達到引力波探測的目的。微波頻帶高頻引力波探測器使用的就是這樣的測量方式。從實際探測的角度看，這些探測器具有不同的測量頻段（如圖1所示）。
CMB探測的引力波頻段在約10-16Hz,脈沖星計時探測的頻段在約10-8Hz,空間引力波干涉儀的探測頻段在約0.01Hz,地面引力波干涉儀以及韋伯型共振棒的探測頻段在約幾百Hz,高斯型微波光子流探測器的頻段在約109Hz.
在引力波探測實驗中，方程（1）動態地表現為
其中L是兩個試探物體的距離，L0是引力波不存在時兩個試探物體的距離，m是試探物體的質量，f是試探物體所受的除引力外的作用力。為了提高實驗靈敏度，f要做得盡量的小，這就是LIGO復雜懸掛系統的動機。理想地，f =0,方程（2）的解可寫為
可見引力波可導致測試物體間的距離變化ΔL=L0h.引力波探測器的靈敏度體現為能分辨的最小h大小。隨著人類精密測量技術的發展，引力波探測器的測量精度也越來越高。典型地，當前LIGO的測量精度約為10-22,脈沖星計時的測量精度約為10-15.在不久的將來，LIGO升級到Advanced LIGO,精度可達10-23;等到平方公里陣列望遠鏡（SKA）建成，脈沖星計時的測量精度可達10-16.考慮到LIGO的測試物體間距約4千米，h≈10-23的測量精度意味著它可以測量出ΔL=L0h≈10-20米的距離變化。這比原子核的直徑10-15米還要小5個數量級！
