含额外极化态高频引力波的电磁响应及其信号光子流特征

As LIGO announced the detection of gravitational wave (GW) signals from binary black hole merger, people more focus on how to capture broader and richer cosmological and astronomical information from further GW observations. Wherein the issue of extra polarization modes of GW is one of these very crucial topics linked to the nature of gravity and space-time, very early universe, extra dimensions and some other basic problems. A variety of prevailing cosmological models, modified gravity and extra dimensional theories predict extra polarization modes (scalar and vector polarizations) of GWs rather than traditional tensor polarizations (plus and cross) in general relativity. Researches on how to display and distinguish these modes by intermediate and low-frequency GW detections (based on gravitational tidal effects) had been carried out, but there is not yet available scheme for high-frequency band (10^8 Hz or higher). In this proposed project, we try to display and distinguish the polarization modes (including extra polarization modes) of high-frequency GWs (HFGWs) based on different effect of electromagnetic response of HFGWs in laboratorial electromagnetic systems or galactic-extragalactic background magnetic fields, and we expect to obtain characteristic features of corresponding signal photon fluxes. This proposal may give very unique display effects of these extra polarizations of HFGWs, and would also provide theoretical references for parameter constraint of relevant models and possible experimental observations in future.

随着LIGO宣布探测到引力波，人们的关注更加聚焦于如何通过引力波获取更丰富更全面的宇宙学、天文学信息。其中，引力波的额外极化态是关系到引力与时空的本质、极早期宇宙、额外维的性质等重要基本问题的关键之一。广义相对论中的引力波具有张量极化态（十字型和叉型），而多种热点宇宙学模型、修改引力理论、额外维理论等还预言了含额外极化态（矢量和标量极化）的引力波。通过中低频引力波探测（基于引力潮汐效应）分辨额外极化态的研究已有开展，但目前还没有在高频段（>10^8Hz）将其额外极化态进行显示与区分的方案。本项目基于完全不同的效应（高频引力波的电磁响应）并在已有的工作基础上，拟研究含额外极化态高频引力波在电磁谐振系统和宇宙背景磁场中的电磁响应及其扰动信号光子流的特征。这将可望给出高频引力波额外极化态十分独特的显示效应，并对今后可能的实验观测及系列热点模型的鉴别和参数限定提供前期研究的理论依据。

本项目按计划研究了含额外极化态高频引力波在电磁谐振系统和宇宙背景磁场中的电磁响应及其扰动信号光子流的特征，给出了高频引力波额外极化态十分独特的显示效应，对后续的实验观测及热点模型的鉴别和参数限定提供了理论预言和依据，本项目得到了如下重要的结果和进展：（1）完成了含额外极化态高频引力波电磁响应的阶段性研究工作，首次给出了高频引力波六种可能的极化态产生的扰动信号电磁波的解析解；提出了一种新的能够同时显示和分辨六种极化态的方法及其理论依据；计算了含额外极化态的高频引力波在实验室框架下的3DSR（三维同步谐振系统）中的信号光子流及特征，对系列热点宇宙学模型、超越广义相对论的引力理论、额外维等理论的合理性和参数限定提供了依据。（2）完成了含可能额外极化态的磁星高频热引力波效应的研究工作，第一次计算了磁星自身强磁场与磁星内部热引力波相互作用所产生的扰动电磁信号，结果显示该信号能流密度在近场区域可达10^7到10^8W/m^2量级，在远场区其扰动电磁场的磁分量可能达到10^(-15)Tesla量级。（3）完成了伽玛暴和磁星表面强磁场相互作用产生极高频引力波及其可能的观测效应的理论研究，结果表明在筹划中的3DSR探测器中，该高频引力波（频带可延伸至10^19Hz甚至更高）可产生10^(-20W)/m^2量级左右的电磁信号，其结果与引力波的电磁响应机制、伽玛暴模型、磁星模型、磁星强磁场产生机制相关联。（4）完成了双中子星并合引力波（可能含额外极化）与其自身强磁场（例如典型的Kelvin-Helmholtz机制可导致的10^16G的强磁场）相互作用而产生的电磁信号的原创性工作，结果表明其扰动电磁信号的磁分量大致在10^(-13)到10^(-18)Tesla量级（地球附近）。（5）开展了黑洞似正规模引力波的一些研究，为进一步研究此类引力波的额外极化态及其在电磁响应中产生的信号打下基础。（6）与国家天文台、科学院强磁场科学中心等国内外科研院所合作、参加多次国际国内学术会议并报告本项目工作、协助主办引力波会议、开展科普报告、指导培养学生等。