1、“引力波和宇宙演化”课题申请答辩报告内容一、立项依据二、研究内容、研究目标及拟解决的关键问题三、特色与创新之处和研究方案及可行性分析四、研究基础与条件五、经费预算说明一、立项依据课题1：宇宙演化课题2：基础物理课题3：数值相对论课题4：天体物理宇宙学探针引力波源检验理论引力波性质提供模板提出问题引力波源观测手段引力波 暴涨过程产生的引力波 随机方向 持续时间长 低频 10(-9)Hz 干涉仪、脉冲星测时阵列 探测宇宙晚期物理16141012684202Log(f)Planck 2009现代宇宙学的重大问题：David Gross (2004)：21世纪物理学的世纪物理学的25个个难题难题1.宇
2、宙起源、2.暗物质的本质、3.什么是暗能量、4.恒星和行星物体的形成、5.广义相对论在所有尺度上都是正确的吗？(2005.7.1)1. What is the universe made of?2. Are we alone in the universe?3. Is ours the only universe?4. What drove cosmic inflation?5. When and how did the first stars and galaxies form?6. What is the nature of black holes?7. Why is there more
3、 matter than antimatter?8. What is the nature of gravity?9. 暴涨的物理本质是什么？1978, 2006如何区分暴涨模型？新物理能否指导实验的设计？标准烛光2011标准尺度标准汽笛二、研究内容、研究目标及拟解决的关键问题三、特色与创新之处和研究方案及可行性分析暴涨宇宙学理论与实验检验原初引力波的谱指数及检验宇宙微波背景辐射观测宇宙微波背景反常起源宇宙双折射物理与B模极化区分模型提高精度检验模型指导实验天体物理过程产生的引力波引力波的弱透镜效应限制宇宙学参数(暗能量)标准汽笛提高精度优势互补探测宇宙早期物理探测宇宙晚期物理(4)(5)(1
4、)(2)(3)宇宙的起源暗能量的性质(1) 暴涨宇宙学的理论研究与实验检验引力波对慢滚暴涨模型的限制Planck Collaboration, arXiv:1502.02114理论预言基于慢滚近似问题：为区分模型，未来的观测数据需要更精确的理论预言。科学目标：完成量子引力修正带来的可观测效应的计算(与课题2合作)；发展数值计算引力波功率谱的程序包，实现暴涨模型的精确计算，区分暴涨模型。研究方案和可行性：数值求解扰动方程，计算引力波功率谱，计算B模极化谱，与观测直接比较。具备数值计算的能力和平台。(2) 原初引力波功率谱的谱指数及其检验在慢滚近似下，暴涨预言的引力波功率功为问题：一旦探测到引力波
5、，下一个必须回答的问题是引力波功率谱的形状？科学目标：完成暴涨期间有源项产生引力波功率谱的计算；联合地面、空间干涉仪和CMB的B模极化等多频段的观测数据限制原初引力波功率谱的谱指数，从而检验自洽性关系。研究方案和可行性：利用MCMC方法，联合不同的观测数据重构引力波功率谱。正在开展初步的研究。(3) 宇宙双折射物理和B模极化B. Feng, et al., PRL 96 (2006) 221302问题：宇宙演化过程中是否存在CPT破坏新物理？科学目标：完成导致宇宙双折射的理论计算及预言(与课题2合作)；区分不同的B模极化的来源，提高对原初引力波的探测能力和精度。研究方案和可行性：根据有效场论探
6、讨CPT破坏项，计算和研究它们的理论预言。开展了CPT破坏项的研究，具备开展该研究的基础。(4) 宇宙微波背景辐射大尺度反常的理论研究偶极不对称 Planck Collaboration, arXiv:1303.5083反常反常：偶极不对称、功率谱大尺度压低、宇称不对称、冷点、慢滚暴涨：反弹暴涨：ZG.Liu, ZK. Guo, YS.Piao, PRD 88, (2013) 063539问题：导致CMB大尺度上反常的物理起源是什么？科学目标：完成宇宙微波背景温度涨落大尺度反常的理论建模；检验极化模式是否存在类似的反常，指导未来引力波探测实验的设计(譬如，阿里计划)。研究方案和可行性：建立极化
7、模式的偶极不对称模型，利用Planck数据分析不对称振幅和方向。正在开展该方向的研究。(5)利用引力波探测宇宙的膨胀历史引力波？引力波？问题：引力波能否作为观测宇宙的可行手段吗？科学目标：完成引力波源作为“标准汽笛”测量宇宙膨胀历史的可行性研究(与课题4合作) ；分析未来引力波观测数据对暗能量的敏感度，根据模拟数据指导未来引力波探测实验的设计(与课题3合作)。研究方案和可行性：通过模拟数据与理论计算进行比较来分析引力波观测对宇宙学参数估算的灵敏度。具备开展该工作的基础。四、研究基础与条件项目参与单位：项目参与单位：依托单位：依托单位：中国科学院理论物理研究所理论物理研究所从事理论物理最基本核心
8、问题研究的专门研究所，具备良好的科研条件，开放的学术交流平台，高性能的计算模拟与数值实验机群。“引力波物理和宇宙演化”是理论物理研究所十三五规划中的重要布局方向之一。合作单位：合作单位：华中科技大学华中科技大学是国家教育部直属的全国重点大学，是首批列入国家“211工程”重点建设和国家“985工程”建设高校之一。粒子与天体物理研究所具有很强的研究队伍，主要从事粒子物理和宇宙学的研究，特别是与本课题相关的引力理论和宇宙学等方面具有长期的积累。郭宗宽，中科院理论物理研究所研究员，百人计划（优秀）研究方向：引力理论与宇宙学成果：发表文章50余篇，引用2400余次。2009年入选天文学领域全球最高引用前
9、400篇论文榜单，连续两年（2015和2016年）入选爱思唯尔发布的中国高被引学者榜单。龚云贵，华中科技大学教授，粒子与天体物理研究所所长研究方向：粒子物理与宇宙学成果：发表文章80余篇，引用3400余次张鑫，东北大学教授，基金委“优青” ，中组部“青年拔尖”研究方向：引力理论与宇宙学成果：发表文章90余篇，引用3500余次黄庆国，中科院理论物理研究所研究员，百人，优青，青年拔尖研究方向：引力理论与宇宙学成果：发表文章70余篇，引用2500余次项目主要研究成员：项目主要研究成员：郭宗宽研究组提出了包含高阶曲率耦合项的暴涨模型，系统计算了该模型的原初引力波。PRD 88 (2013) 12350
10、8郭宗宽研究组提出了直接从宇宙微波背景辐射数据重构原初引力波功率谱的新方法，给出了更一般的模型检验。PRD 90 (2014) 023544龚云贵研究组利用谱指数及张标比等观测量的参数化重构了势函数的主要特征，并且研究了观测量简并性对原初引力波探测影响的问题。MNRAS 459 (2016) 4029龚云贵研究组研究了暴涨子动能项与爱因斯坦张量耦合的修改引力模型中的原初引力波。IJMPA 30 (2015) 1545004黄庆国研究组利用BICEP2、Keck 以及普朗克卫星的观测数据成功对原初引力波扰动功率谱的谱指数进行限制，并且发现联合LIGO 对随机背景引力波的限制数据可以有效地提高对原
11、初引力波扰动功率谱谱指数的限制精度。JCAP 1506 (2015) 021近几年与项目相关的研究工作：近几年与项目相关的研究工作：五、经费预算说明科目名称科目名称金额（万元）金额（万元）一、 项目资金417(一) 直接费用3501、 设备费15 (1)设备购置费153、 测试化验加工费445、 差旅费556、 会议费307、 国际合作与交流费358、 出版/文献/信息传播/知识产权事务费259、 劳务费13810、 专家咨询费8(二) 间接费用67 其中：绩效支出16.75国家自然科学基金项目资金预算表国家自然科学基金项目资金预算表(一) 直接费用：350万1、 设备费： (1)设备购置费：
12、共计15万研究生办公室拟采购2台彩色激光打印机，用于打印期刊论文阅读，1.5万元/台；2台高性能 台式工作站，用于调试程序，3万元/台；4台笔记本电脑，用于课题研究骨干出差做学术报告，1.5万元/台。合计1.5万元/台2台+3万元/台2台+1.5万元/台4台=15万元。3、 测试化验加工费：共计44万课题组拟利用中国科学院超算中心和中国科学院理论物理研究所的高性能计算机群计算，开展原初引力波功率谱的数值计算和参数拟合，每年需要节点机时约1.2万小时；开展双星并合事件产生的引力波的数值模拟和模型参数的估算，每年需要节点机时约1万小时。每个节点20CPU核，每个CPU核0.2元/小时，每年机时费为
13、0.2元/小时/CPU核20CPU核2.2万小时=8.8万元，五年合计44万元。5、 差旅费：共计55万异地合作研究和学术研讨、项目课题汇报、评估、总结等所发生的外埠差旅费、市内交通费用等。本课题组有5位正式成员，2位合作成员，3位博士后，14位博士研究生（由于项目主要参与者表格的限制没有列出所有学生）。(1)研究骨干差旅：平均每年每人参加学术会议与学术交流等活动3-4次，每年按20人次计算。会期为3天，往返旅费1000元、住宿费300元/天3天=900元，以及餐费交通补贴180元/天3天=540元，每人次平均差旅花费大约2500元。五年合计2500元/人次20人次/年5年25万元。(2)研究
14、生差旅：参与本课题的研究生平均参加会议需要大约30人次。会期为3天，往返旅费800元、住宿费200元/天3天=600元，以及餐费交通补贴180元/天3天=540元，每次平均差旅费大约2000元。五年合计2000元/人次30人次/年5年30万元。预算预算说明书说明书6、 会议费：共计30万课题拟每年召开内部学术交流会议暨课题总结会一次，专门针对学生的交流会一次，让课题参与人员及研究生互相交流，同时邀请相关领域专家参加并给予指导。会期为3天，每次规模约34人，会议提供住宿和餐费，标准为平均300元/人天，每次食宿花费为300元/人天3天34人3万元。每年会议合计费用为3万元/次2次=6万元。五年共
15、计30万元。7、 国际合作与交流费：共计35万课题组成员出国合作交流、邀请境外专家来访，开展合作研究。(1)课题组主要成员拟参加本领域的国际学术会议，每次会议时间约5天，每次费用约1.5万元，五年约20人次，费用合计1.5万元/人次20人次=30万元。(2)拟邀请美国、德国、日本等国专家来华学术访问，每年约1万元，5年合计约5万元。8、 出版/文献/信息传播/知识产权事务费：共计25万 版面费、文献检索、网络费、资料费、计算机软件等。每年约5万元，五年合计费用为25万元。9、 劳务费：共计138万参加本课题研究的博士研究生和博士后人员的劳务费。(1)博士研究生1500元/月14人10月/年5年=105万元，(2)博士后2000元/月3人11月/年5年=33万元。10、专家咨询费：共计8万课题组在召开学术会议和课题年度总结时，聘请部分本领域专家与会，对本项目的研究进展进行咨询、评估、建言等。另外，针对课题研究进展所遇到的问题，还需要以通信的方式及时聘请部分专家进行通信咨询。每人每天专家咨询费按800元计算，每次会议2天，每年拟邀请专家10人次，五年合计费用为0.08万元/人次/天2天10人次/年5年=8万元。29Thank you!
