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@emptymalei
Created March 17, 2014 09:46
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引力波和背景辐射.md

首先,我们这里探测引力波的方法是用的微波背景辐射,新闻中说了,大家是在找 B mode,那么自然的就有那么几个问题:

  1. 什么是微波背景辐射?
  2. 什么是 B mode?
  3. 什么是引力波?
  4. 为什么可以通过 B mode 来探测引力波?

什么是背景辐射

在这里 http://www.guokr.com/question/452371/

什么是 B Mode

嗯,如果不用公式,这个说起来有点头疼。B mode 是由四极子产生的。那么四极子是什么?

偶极子,就是说原来各个方向都相同来着,有偶极子导致有一个方向变得跟其他不一样了。

四极子,除了会出现一个更加复杂的极化形式。实际上,非常像流体中的极化。

图片来源

作为一个对背景辐射的理解,我们可以把上面的图片中源运动一列中的图片中的 + 看成温度高的区域,- 看成温度低的区域。

为了说明白背景辐射里面的极化是怎么来的,我们先从 Thomson 散射说起。 图片出处

这个图中,那个十字架是光的两个方向的电场(十字架两条一样粗,说明这个光是各个方向都一样的,自然光),绿色的是个被限制在了一个平面内的电子。既然被限制在了一个平面内,当光过来的时候,电子只能在电场在电子运动平面内的光子的作用下运动,然后重新辐射出这个偏振方向的光子。这样一来,原来是自然光,现在变成了偏振光。

在背景辐射的情境中,跟上面的图像是很相似的。因为我们的视线方向的振动等价的被锁定了,所以上图实质上跟第一个图是很像的,会产生偏振。

但是,实际上这个电子周围都是光子,那么实际上应该是这样的

这样出来的光是没有极化的。

要产生极化的光,最简单的情况也应该是这样

这样出来的光就会有两个方向的差异了。

那么什么是 B mode 呢?在物理中,有组非常强大基矢,就是球谐函数(其实是 spin weighted 但是别管了),这组基矢跟我们用的坐标 x,y,z 很像,不同的是,用他们来写出球面上的坐标会非常方便。然后我们可以用这组基矢展开上面的极化,这样就可以得到两类完全不同的东西(尤其是 parity 不同)。

这两类有什么不同呢?我们把它们画到图上:

左边的叫做 E mode,右边的叫做 B mode. 在右边你看到了什么?看到了涡旋,那为什么叫做 B mode?因为静磁场 B 是有涡旋的。所以这个 mode 很像是磁场,所以叫做 B mode 了。

引力波以及为什么 B mode 对应引力波

按照 Einstein 的广义相对论的观点,引力波是时空的扰动。这个扰动可以导致一些很奇怪的 pattern 出现,其中就包括上面的 B mode,B mode 是一个张量扰动,电磁场的自由度不够用,不可能产生这样的扰动,所以说,只要发现了 B mode,我们能想到的,就是引力波了。

本身极化的观测就比较难,因为极化比较弱,而且探测的时候是个二级效应,所以探测比较麻烦。B mode 又比 E mode 弱,这样使得 B mode 的观测就更难了。

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