[论文解读] The Laser Interferometer Space Antenna: Unveiling the Millihertz Gravitational Wave Sky

John Baker, Jillian Bellovary+40 more|arXiv (Cornell University)|Jul 15, 2019

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 38被引用 115

一句话总结

本论文概述了 LISA 任务概念、科学目标、架构与状态，强调来自三艘飞船星座的毫赫兹引力波天文学。

ABSTRACT

The first terrestrial gravitational wave interferometers have dramatically underscored the scientific value of observing the Universe through an entirely different window, and of folding this new channel of information with traditional astronomical data for a multimessenger view. The Laser Interferometer Space Antenna (LISA) will broaden the reach of gravitational wave astronomy by conducting the first survey of the millihertz gravitational wave sky, detecting tens of thousands of individual astrophysical sources ranging from white-dwarf binaries in our own galaxy to mergers of massive black holes at redshifts extending beyond the epoch of reionization. These observations will inform - and transform - our understanding of the end state of stellar evolution, massive black hole birth, and the co-evolution of galaxies and black holes through cosmic time. LISA also has the potential to detect gravitational wave emission from elusive astrophysical sources such as intermediate-mass black holes as well as exotic cosmological sources such as inflationary fields and cosmic string cusps.

研究动机与目标

• 激发毫赫兹GW天文观测的案例并概述LISA的科学目标和预期影响。
• 展示LISA任务概念、架构和基线性能目标。
• 总结当前状态、伙伴关系、时间表，以及NASA/ESA的贡献和美国参与计划。

提出的方法

• 描述利用2.5百万公里三角星座的LISA测量概念。
• 解释关键性能驱动因素：实验质量加速度噪声和用时延干涉测量的位移噪声。
• 概述数据分析方法，包括匹配滤波、贝叶斯/马尔科夫链蒙特卡洛技术，以及Mock LISA数据挑战的作用。
• 总结来自LISA Pathfinder和GRACE-FO LRI的飞行演示和技术就绪度的遗产。
• 讨论国际合作的任务组织、时间表以及成本/情景考虑。

实验结果

研究问题

• RQ1 毫赫兹引力波天文台能够实现的主要科学目标是什么？
• RQ2 LISA设计如何实现对银河系双星、MBH并合、EMRIs以及宇宙学背景等多种源的探测与表征？
• RQ3 以ESA为主导、含NASA贡献的LISA的当前状态、组织结构和时间表是什么？
• RQ4 哪些关键技术及遗产验证了LISA的可行性与性能？
• RQ5 美国参与如何在仪器、数据分析和科学利用方面作出贡献？

主要发现

• LISA将开展首个毫赫兹引力波全天空 surveys，检测数万源。
• 银河系内数百万紧凑双星将产生信号组，数万个可单独解析，未分辨的前景将影响灵敏度。
• LISA将在广泛红移范围观测极端质量比向外盘，和大质量黑洞并合，能够进行引力与宇宙学的测试。
• 任务概念包括在日心轨道上的2.5百万公里三角星座，具有对多信使后续观测的稳健天空定位。
• 在轨演示（LISA Pathfinder、GRACE-FO LRI）提升了关键子系统的技术就绪度与遗产；数据挑战（MLDCs）为复杂信号提取做准备。
• 该项目强调国际合作（以ESA为主导并有NASA贡献）以及分阶段时间表，目标是在2020年代初实现任务采用，2030年代初发射。