[论文解读] Gravitational wave astronomy with the SKA

G. H. Janssen, G. Hobbs+13 more|arXiv (Cornell University)|Dec 31, 2014

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 1被引用 23

一句话总结

本文提出，平方公里阵列（SKA）将通过实现高精度脉冲星计时阵列（PTA），彻底革新低频引力波（GW）天文学，从而探测超大质量黑洞双星系统和随机引力波背景。利用SKA1和SKA2，该项目将实现前所未有的灵敏度，能够探测引力波信号、表征其来源，并检验广义相对论和宇宙学模型。

ABSTRACT

On a time scale of years to decades, gravitational wave (GW) astronomy will become a reality. Low frequency (nanoHz) GWs are detectable through long-term timing observations of the most stable pulsars. Radio observatories worldwide are currently carrying out observing programmes to detect GWs, with data sets being shared through the International Pulsar Timing Array project. One of the most likely sources of low frequency GWs are supermassive black hole binaries (SMBHBs), detectable as a background due to a large number of binaries, or as continuous or burst emission from individual sources. No GW signal has yet been detected, but stringent constraints are already being placed on galaxy evolution models. The SKA will bring this research to fruition. In this chapter, we describe how timing observations using SKA1 will contribute to detecting GWs, or can confirm a detection if a first signal already has been identified when SKA1 commences observations. We describe how SKA observations will identify the source(s) of a GW signal, search for anisotropies in the background, improve models of galaxy evolution, test theories of gravity, and characterise the early inspiral phase of a SMBHB system. We describe the impact of the large number of millisecond pulsars to be discovered by the SKA; and the observing cadence, observation durations, and instrumentation required to reach the necessary sensitivity. We describe the noise processes that will influence the achievable precision with the SKA. We assume a long-term timing programme using the SKA1-MID array and consider the implications of modifications to the current design. We describe the possible benefits from observations using SKA1-LOW. Finally, we describe GW detection prospects with SKA1 and SKA2, and end with a description of the expectations of GW astronomy.

研究动机与目标

• 通过SKA增强的灵敏度和大视场计时能力，实现首次直接探测低频引力波。
• 表征来自超大质量黑洞双星和宇宙弦的随机引力波背景。
• 利用精确的脉冲星计时残差检验广义相对论及替代引力理论。
• 通过约束大质量黑洞的并合历史，改进星系演化模型。
• 利用SKA2实现高精度脉冲星距离测量，支持引力波源的干涉成像与非线性引力动力学的测绘。

提出的方法

• 利用SKA1和SKA2阵列对毫秒脉冲星进行长期、高时间分辨率的计时观测，实现纳秒级精度的计时残差测量。
• 应用Hellings & Downs曲线形式化方法，检测多个脉冲星之间的相关计时残差，以标识随机引力波背景信号。
• 利用SKA的大集光面积和宽频带特性，降低计时噪声，提升弱引力波源的信噪比。
• 通过SKA2计时视 parallax 测量脉冲星距离，实现亚光年级精度，支持引力波相干波束成形与角分辨率达角分量的干涉成像。
• 结合EPTA、NANOGrav、PPTA等多个PTA的数据与SKA观测结果，提升灵敏度并验证探测结果。
• 通过分析引力波对脉冲星响应的时间延迟，建模后牛顿效应与波形演化，实现对双星系统质量与自旋参数的测量。

实验结果

研究问题

• RQ1 SKA能否以足够灵敏度探测到来自超大质量黑洞双星的随机引力波背景，从而将其与仪器噪声和天体物理噪声区分开？
• RQ2 SKA2提升的脉冲星距离测量精度将如何实现引力波源的相干成像并提升角分辨率？
• RQ3 利用SKA的脉冲星计时阵列，能在多大程度上通过引力波辐射约束宇宙弦或超弦的性质？
• RQ4 基于SKA的PTA能否独立确认或反驳现有PTA早期的引力波探测结果？其在表征连续引力波源方面将发挥何种作用？
• RQ5 探测到由引力波引起的计时残差后，如何提升在强场区域对广义相对论及替代引力理论的检验？

主要发现

• SKA凭借其大集光面积和宽频带，将显著提升脉冲星计时精度，实现对纳赫兹频段引力波的探测。
• 预计SKA1将具备足够灵敏度探测来自超大质量黑洞双星的随机引力波背景，十年内有望实现探测。
• SKA2对脉冲星距离实现亚光年级精度，将支持引力波信号的相干波束成形，实现角分量级分辨率的干涉成像。
• SKA可通过单个双星系统计时残差中的时间延迟响应，将后牛顿参数测量精度提升至1.5阶。
• SKA PTA可通过分析背景的谱特性和角分布特征，区分不同宇宙学引力波源，如宇宙弦与原初黑洞种群。
• 即使在直接探测引力波之前，SKA PTA数据也将产出重要科学成果，包括引力理论检验、星际介质效应研究以及脉冲星计时模型的改进。