[论文解读] Astro2020 Decadal Science White Paper: The state of gravitational-wave astrophysics in 2020

Sean T. McWilliams, Robert R. Caldwell+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2019

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 23被引用 6

一句话总结

本白皮书概述了截至2020年引力波天体物理学的变革性状态，倡导采用覆盖地基（LIGO/Virgo）、空间基（LISA）和低频（脉冲星计时阵列、宇宙微波背景）观测台的多波段方法。它强调，LISA 将实现对广义相对论的前所未有的检验，并通过合并事件、极端质量比旋近和随机背景，探测大质量黑洞动力学、中子星状态方程以及早期宇宙物理学。

ABSTRACT

While still in its infancy, the budding field of gravitational-wave astronomy has so far exceeded most expectations, and the achievements that have already been made bode well for the decade to come. While the discoveries made possible by LIGO have captured the imagination of experts and nonexperts alike, it is important when looking ahead to consider those discoveries in the context of the field as a whole. Just as radio, optical, and x-ray radiation probe different physical phenomena occurring on a range of length and energy scales, the future of gravitational-wave astrophysics depends on our ability to open up the entire spectrum. We will describe the scientific prospects for the field of gravitational-wave astronomy as a whole as we enter the coming decade, and we will place the specific contributions from a future space-based gravitational-wave observatory within this context.

研究动机与目标

• 评估引力波天体物理学在多个观测波段中的当前状态和未来科学潜力。
• 论证空间基引力波观测台（LISA）在完成完整引力波谱中的关键重要性。
• 强调多信使和多波段观测如何解决宇宙学、致密天体形成和广义相对论中的关键问题。
• 将 LISA 定位为探测强场引力、极端质量比旋近和早期宇宙的关键工具。

提出的方法

• 分析地基探测器（LIGO、Virgo）及其计划升级（A+、Voyager、Cosmic Explorer、Einstein Telescope）的数据，以评估灵敏度提升和源探测范围。
• 评估空间激光干涉仪（如 LISA）的科学潜力，重点关注其对大质量黑洞双星、极端质量比旋近（EMRIs）和银河系双星群体的敏感度。
• 评估通过脉冲星计时阵列（PTAs）和宇宙微波背景（CMB）极化实验探测低频引力波，以研究原初引力波。
• 建模地基与空间基观测台之间的互补性，特别是在天区定位和并合事件时间测量方面。
• 利用广义相对论和替代引力模型的理论框架，解释预期来自 EMRIs 和强场双星的信号。
• 量化不同观测台对各类源（如中子星双星、超大质量黑洞并合）的探测率和信噪比。

实验结果

研究问题

• RQ1 下一代地基探测器（如 A+）将如何提升对中子星双星和黑洞双星的探测范围与定位精度？
• RQ2 通过 LISA 观测大质量黑洞双星，特别是在强场区域，能获得哪些独特的天体物理和基础物理洞见？
• RQ3 LISA 对并合事件的早期预警能力如何提升与电磁观测台的多信使后续观测？
• RQ4 通过 LISA 观测的极端质量比旋近（EMRIs）能对广义相对论的偏离施加何种约束？
• RQ5 LISA 能否探测到来自暴胀的原初随机引力波背景？这将对早期宇宙宇宙学产生何种影响？

主要发现

• 先进 LIGO 和 Virgo 预计将于 2024 年达到设计灵敏度，将中子星双星的探测范围扩展至约 1 Gpc，而恒星级黑洞双星的探测红移将超过 1。
• 达到量子噪声极限的升级可将恒星质量和中等质量黑洞双星的可观测红移扩展至 z ≈ 6，显著改善天区定位精度。
• 2017 年探测到的 GW170817 与全波段电磁对应体同时出现，证实中子星并合会产生短伽马射线暴，并是宇宙中重元素的主要来源。
• GW170817 的多信使观测实现了对哈勃常数的新独立测量，为解决 Planck 与超新星测得的哈勃常数之间的当前矛盾提供了路径。
• LISA 预计将探测到数百起大质量黑洞双星并合事件，其中许多信号将远强于任何地基探测信号，从而实现对广义相对论在强场区域的精确检验。
• LISA 将观测到极端质量比旋近（EMRIs），即恒星级黑洞螺旋进入超大质量黑洞的过程，为时空几何结构以及广义相对论可能的偏离提供独特探测手段。