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宇宙早期原初引力波的非线性相互作用

批准号:
12073005
项目类别:
面上项目
资助金额:
61.0 万元
负责人:
张帆
依托单位:
学科分类:
暗物质、暗能量、早期宇宙、宇宙学模型
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
张帆

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
早期宇宙极端动态,但对其引力环境的描画在现阶段还相对粗犷。由于计算难度所限,解析分析基本以极度简化的 FRW 度规为准,仅在其上添加微扰。但是在我们宇宙的幼年期,由暴胀、相变或宇宙弦等诸多物理过程产生的大量原初引力波模由于空间度规的微小而聚集在一起,可以达到很高的能量密度,进而透过爱因斯坦方程的非线性相互影响,在不同的尺度间传递能量。换言之,对宇宙早期的准确理解避不开对引力波非线性作用的详细刻画,但是解析方法如上所述显得捉襟见肘。我们在本项目中提议改造近期针对致密天体引力波源开发的数值模拟代码,开拓数值相对论在宇宙学上的应用,回答如下三个具体问题:(1)原初引力波背景的非线性作用能否形成引力波湍流?(2)引力波的非线性相互作用对宇宙扰动功率谱有多大影响?(3)暴胀是否可以接受非均匀的初始条件?
英文摘要
While the early universe is undoubtedly extremely dynamic, our theoretical models for describing it is sorely lacking in sophistication. Due to computational difficulties, analytical studies had mostly relied on the vastly simplified FRW metric, adding perturbations at best. However, during the infancy of our universe, primordial gravitational wave modes excited by inflation, phase transition or cosmic strings are compactified by the small spatial extends (in terms of metric, not necessarily topologically compact) into such high densities, that they would unavoidably interact with each other via the Einstein equations' innate nonlinearity, passing energy between them as a result. Subsequently, an accurate description of the early universe cannot do away with a detailed understanding of the nonlinear interaction between gravitational waves, a task analytical studies seem to have fallen short of. Within the scope of this grant, we propose to evolve a simulation code developed for extracting gravitational wave signals from astrophysical compact binary sources, into one capable of cosmological studies, allowing numerical relativity to migrate into the realm of cosmology. We aim to answer the following three specific questions: (1) Can turbulence form out of gravitational wave nonlinear interactions? (2) How much of an impact do these nonlinear interactions have on the various cosmic perturbation power spectra? (3) Can inflation be launched out of highly inhomogeneous initial conditions?
本项目的研究目标旨在开拓针对宇宙早期引力场的非线性现象的预测和实验观测手段,为未来更加深刻的理解宇宙早期物理(尤其是对与LCDM 模型不符现象提出可能的解释)奠定理论基础。..我们在本项目中提议改造近期针对致密天体引力波源开发的数值模拟代码,开拓数值相对论在宇宙学上的应用。为达此目的,本项目最重要的目标和其相应成果是编撰一套可以在早起宇宙中进行广义相对论下时空演化的数值模拟代码。为了这个目标,我们必须在数学上和代码上撰写上同步推进。本项目合作者和项目主持人合作在 SpEC 这个非公开频谱代码的基础上,修改核心频谱分解,加入任意空间拓扑形式下的参考度规(用于在不同计算子域间转换张量)。我们撰写了能够将任何拓扑结构打碎,成为可以进行数值演化的计算域的方法,并且撰写了所需要的相关边界条件以及微分结构的构建代码。我们持续完善了这个代码,进行了各种测试,其中最重要的测试是利用此代码求解,真正的引力场的初始条件。..在高精度求解初始条件的数值方法方面我们也被迫有所创新,开发了 Hyperbolic Relaxation 方法求解包含极复杂扰动模的初始条件。足够精确的初始条件是达成长时间进一步演化,进而研究湍流的存废和其造成的模之间能量转移性质的先决条件。..从观测的角度,我们提出并发表了针对月基引力波探测的方案。我们在文中提出了具体的仪器设计方案,并对可能的科学目标进行了分析。引力波在宇宙早期的非线性相互作用可能会导致能量从大尺度向小尺度传递,造成广谱的原初引力波。月基项目关注的分赫兹频段是在双白矮星前景噪音之上的最低的频率范围,对原初引力波的探测可能会有它特别的贡献。
天体系统在 Chern-Simons 引力理论中演化过程的数值模拟
  • 批准号:
    11503003
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    23.0万元
  • 批准年份:
    2015
  • 负责人:
    张帆
  • 依托单位:
国内基金
海外基金