引力波天文学的引力波天文学的研究对象
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发布时间：2022-05-09 19:10
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时间：2023-07-25 04:36
引力波天文学这个名称现在已经脱离了单纯意义上的观测天文学范畴，粗略来讲引力波天文学涉及以广义相对论为基础的理论和实验天体物理学、激光物理、数字信号处理、控制论、概率统计等多方面的领域。伯纳德·舒尔茨曾列出成功观测引力波的五条关键要素：
1.良好的探测器技术
2.良好的波形预测
3.良好的数据分析方法和技术
4.多个独立探测器间的符合测量
5.引力波天文学和电磁波天文学的符合测量
从这五条要素可以将引力波天文学划归为三个方向。
引力波源研究对象为第2条和第5条，主要研究被认为可观测引力波源的物理性质，从理论上计算具体的引力波源产生的引力波的波形，以及这些特定的波源在星系中的数量和在某一时空范围内被观测到的几率。
天体物理学中研究的电磁波谱通常最高可达赫兹，向下延伸20个数量级；而引力波谱通常最高为赫兹，也向下延伸20个数量级左右，范围从最高频的超新星引力坍缩和毫秒脉冲星到最低频的宇宙早期量子涨落，涵盖种类繁多的天体系统。
近年来关于引力辐射理论的研究着重于使用不同的近似来研究两体问题。原因在于双星系统可以确定是重要的引力波源。但在相对论力学中两体问题并不像牛顿力学中的两体问题那么容易。两体问题只能得到近似解的原因是难于处理辐射场以及处理非线性的爱因斯坦方程。最直接的办法则是数值解爱因斯坦方程，或者应用近似的解析方法。最典型并且应用最多的解析方法是所谓后牛顿力学近似方法，这种近似试图模仿牛顿力学的形式来解决较弱引力场的相对论问题。具体做法是对微小的牛顿力学量加以展开，可以选择展开的项有速度或者牛顿引力势，这实则是对相对论一种弱场低速的近似。这两个量是相联系的因为对自引力系统甚至相对论性引力系统而言有。当前对引力波的波形的预测有解析和数值计算的方法：
运用后牛顿力学近似方法计算出的双中子星合并过程的引力波形解析计算：对于一般的双星系统，最常见的解法是用后牛顿力学近似方法做出的解析近似。引力辐射对应着后牛顿展开至最低2.5阶，即展开至的2.5幂次方项（展开至2阶时系统动量-能量仍然守恒，无引力辐射），习惯记做2.5pN，一般研究中则要求后牛顿方法至少展开到3pN。3pN展开是后牛顿方法研究得比较成熟的近似，主要研究人员有达莫（Damour），杰拉诺斯基（Jaranowski）和萨法（Schäfer）采用广义相对论的ADM-哈密顿量形式，以及安德雷德（Andrade），布兰谢（Blanchet）和法耶（Faye）直接在谐振坐标下计算运动方程。这两种算法的结果在物理上被证明等价，为寻找来自双星系统的引力波信号提供了可信的模板。当前后牛顿展开近似的最高阶数为5.5pN，为大阪大学的佐佐木节（佐々木 节，罗马字Sasaki Misao）等人所得出。
数值计算：在强引力场情形下，后牛顿近似方法不适用，包括两个黑洞的合并这样释放出突发信号的情况。数值相对论（Numerical Relativity）就是引力波天文学的这样一个分支，它试图从爱因斯坦场方程出发，通过计算机模拟的办法找到如黑洞双星的合并等模型的尽可能精确的数值解。数值相对论中目前最常见的方法是对爱因斯坦方程做所谓“3+1”分解（即3维空间-1维时间分解），这是由得克萨斯农机大学的阿诺维特（Anorwitt）、布兰德斯大学的戴瑟（Deser）和马里兰大学的米斯纳（Misner）于二十世纪六十年代创立的，有时也叫做ADM形式。其基本思想是将连续时空切割成类空的超平面，从而得到可定义的哈密顿量，则系统的动力学方程具有哈密顿方程的形式。数值相对论对于处理黑洞双星的合并过程已经取得了相当漂亮的结果，表现为计算得到的从旋近到合并后自转减缓的相变过程具有平滑过渡的波形。
