[论文解读] A Galactic centre gravitational-wave Messenger

M. A. Abramowicz, M. Bejger+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 25, 2019

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 1

一句话总结

该论文提出，一颗质量为木星质量的探测器在人马座A*的逆行最内侧稳定圆轨道（ISCO）上运行时，由于轨道衰减，将发射出连续且可探测的引力波信号，频率为0.63–1.07 mHz，功率为2.7×10³⁶–2.0×10³⁷ erg/s。如果由LISA探测到此类信号，其精确频率和位于银河系中心的起源将使其毫无疑问地被判定为人工信号，从而为利用引力波开展SETI研究提供一种新策略。

ABSTRACT

Our existence in the Universe resulted from a rare combination of circumstances. The same must hold for any highly developed extraterrestrial civilisation, and if they have ever existed in the Milky Way, they would likely be scattered over large distances in space and time. However, all technologically advanced species must be aware of the unique property of the galactic centre: it hosts Sagittarius A* (Sgr A*), the closest supermassive black hole to anyone in the Galaxy. A civilisation with sufficient technical know-how may have placed material in orbit around Sgr A* for research, energy extraction, and communication purposes. In either case, its orbital motion will necessarily be a source of gravitational waves. We show that a Jupiter-mass probe on the retrograde innermost stable circular orbit around Sgr A* emits, depending on the black hole spin, at a frequency of $f_{GW} = 0.63 - 1.07$ mHz and with a power of $P_{GW}=2.7 imes\, 10^{36} - 2.0 imes\, 10^{37}$ erg/s. We discuss that the energy output of a single star is sufficient to stabilise the location of an orbiting probe for a billion years against gravitational wave induced orbital decay. Placing and sustaining a device near Sgr A* is therefore astrophysically possible. Such a probe will emit an unambiguously artificial continuous gravitational wave signal that is observable with LISA-type detectors.

研究动机与目标

• 探索技术先进的文明是否可能在人马座A*附近放置一个稳定、长期存在的引力波发射器，以向银河系传递其存在的信号。
• 评估利用恒星能量输出在数十亿年内维持此类探测器的可行性。
• 识别具有先验已知物理特性的信号——频率、方向和稳定性——这些特性将明确指示其人工起源。
• 提出将引力波探测作为传统射电SETI的补充策略，具有高度针对性。

提出的方法

• 使用广义相对论方程建模质量为木星的物体在人马座A*的逆行ISCO上运行时的能量和角动量损失，以研究其轨道衰减过程。
• 利用四极矩公式和与黑洞自旋相关的ISCO半径，计算引力波的频率和光度。
• 估算为维持探测器在10亿年内轨道稳定所需的能量输入，该能量来自引力波辐射的功率。
• 基于E = mc²和能量平衡，评估利用单颗0.1–1 M⊙恒星的能量维持探测器的可行性。
• 使用SageMath笔记本计算轨道演化和引力波频率演化，代码已公开获取。
• 评估此类信号被LISA类空间引力波探测器探测到的可能性。

实验结果

研究问题

• RQ1 质量为木星的物体在人马座A*的逆行ISCO上运行，是否能产生LISA可探测的连续引力波信号？
• RQ2 为使此类探测器在10亿年内抵抗引力波引起的轨道衰减而保持稳定，所需的能量输入是多少？
• RQ3 此类探测器发出的引力波信号是否具有独特可识别的频率和时间演化特征，从而能明确指示其人工起源？
• RQ4 单颗恒星的能量供应是否足以在宇宙学相关的时间尺度内维持探测器的轨道？
• RQ5 银河系中心的黑洞人马座A*是否可作为星际通信的施莱辛格点，使其自然成为人工信号的聚焦点？

主要发现

• 质量为木星的探测器在人马座A*的逆行ISCO上运行时，发出的引力波频率为0.63–1.07 mHz，具体取决于黑洞自旋参数。
• 引力波光度为2.7×10³⁶–2.0×10³⁷ erg/s，黑洞自旋越高，辐射功率越大。
• 为使探测器在10亿年内保持稳定，所需能量为2.0×10⁵⁴ erg（当a = 0.0时）至7.8×10⁵⁵ erg（当a = +0.9时），全部在单颗恒星能量输出的范围内。
• 在ISCO处，信号的频率导数发散（df₀/dt = +∞），使其成为人工起源的唯一且明确的特征。
• 该信号在数月到数年内保持稳定，具有精确已知的频率和方向，因此可与天体物理噪声明确区分。
• 若LISA探测到此类信号，将提供确凿证据，证明银河系中存在高级地外文明。