[论文解读] On constraining the speed of gravitational waves following GW150914

Diego Blas, Mikhail M. Ivanov+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 12, 2016

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 10

一句话总结

本文利用LIGO在汉福德与利文斯顿两处探测器对GW150914事件的时间延迟，对引力波速度进行约束，得出 $c_{gw} \lesssim 1.7$（以光速为单位）。结合宇宙射线切伦科夫辐射损失的约束，建立了模型无关的边界 $1 \lesssim c_{gw} \lesssim 1.7$，将引力波速度的可能范围进一步缩小，超越了以往的限制。

ABSTRACT

We point out that the observed time delay between the detection of the signal at the Hanford and Livingston LIGO sites from the gravitational wave event GW150914 places an upper bound on the speed of propagation of gravitational waves, $c_{gw}\lesssim 1.7$ in the units of speed of light. Combined with the lower bound from the absence of gravitational Cherenkov losses by cosmic rays that rules out most of subluminal velocities, this gives a model-independent double-sided constraint $1\lesssim c_{gw}\lesssim 1.7$. We compare this result to model-specific constraints from pulsar timing and cosmology.

研究动机与目标

• 利用GW150914的观测数据，推导引力波速度的模型无关约束。
• 结合LIGO探测器间的时间延迟与宇宙射线切伦科夫辐射损失观测，以收紧对 $c_{gw}$ 的限制。
• 将所得约束与脉冲星计时阵列及宇宙学观测所得的模型特定限制进行比较。
• 在不依赖特定理论模型的前提下，提高引力波速度约束的精度。

提出的方法

• 分析汉福德与利文斯顿LIGO站点在GW150914事件中检测到的10毫秒时间延迟，以推断引力波传播速度的上限。
• 应用亚光速引力波将导致宇宙射线产生可探测的引力切伦科夫辐射的条件，而观测中未发现此类辐射。
• 将时间延迟所得的上限与无切伦科夫辐射损失所推导出的下限相结合，形成对 $c_{gw}$ 的双侧约束。
• 利用所得范围与现有来自脉冲星计时阵列和宇宙学测量的模型依赖性约束进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 从LIGO在汉福德与利文斯顿探测到GW150914的时间延迟中，可推导出引力波速度的何种上限？
• RQ2 宇宙射线未观测到引力切伦科夫辐射损失，如何约束亚光速引力波速度？
• RQ3 在结合时间延迟与切伦科夫辐射损失约束后，引力波速度的模型无关范围为何？
• RQ4 此双侧约束与脉冲星计时及宇宙学所得的模型特定约束相比如何？

主要发现

• 汉福德与利文斯顿LIGO探测器间10毫秒的时间延迟表明，引力波速度上限为 $c_{gw} \lesssim 1.7$（以光速为单位）。
• 宇宙射线未观测到引力切伦科夫辐射，排除了大多数亚光速引力波速度，提供了下限 $c_{gw} \gtrsim 1$。
• 结合这两项约束，得出模型无关的范围：$1 \lesssim c_{gw} \lesssim 1.7$。
• 该范围比多数模型特定约束更严格，为引力波速度提供了稳健且基于观测的限制。