[论文解读] Astro2020 Science White Paper: Cosmology with a Space-Based Gravitational Wave Observatory

Robert R. Caldwell, Mustafa A. Amin+9 more|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2019

Astronomy and Astrophysical Research被引用 6

一句话总结

本白皮书提出，基于空间的引力波探测器（如LISA）将能够利用大质量黑洞双星并合事件作为标准汽笛源，对从红移z ≈ 10至暗能量开始主导的时期进行宇宙膨胀的测量。此外，该文认为mHz频段的探测为发现原初随机引力波背景提供了最佳机会，从而揭示电弱相变及早期宇宙的物理机制。

ABSTRACT

There are two big questions cosmologists would like to answer -- How does the Universe work, and what are its origin and destiny? A long wavelength gravitational wave detector -- with million km interferometer arms, achievable only from space -- gives a unique opportunity to address both of these questions. A sensitive, mHz frequency observatory could use the inspiral and merger of massive black hole binaries as standard sirens, extending our ability to characterize the expansion history of the Universe from the onset of dark energy-domination out to a redshift z ~ 10. A low-frequency detector, furthermore, offers the best chance for discovery of exotic gravitational wave sources, including a primordial stochastic background, that could reveal clues to the origin of our Universe.

研究动机与目标

• 倡导具备mHz频段灵敏度的基于空间的引力波探测器，以解决基本的宇宙学问题。
• 证明大质量黑洞双星并合事件可作为标准汽笛源，用于测量红移z ≈ 1–10范围内的宇宙膨胀历史。
• 探索探测一级相变引起的电弱相变及原初黑洞双星所产生随机引力波背景的潜力。
• 确立低频引力波观测对标准模型之外新物理及早期宇宙的独特宇宙学敏感性。

提出的方法

• 利用大质量黑洞双星在旋近阶段的啁啾波形，通过关系式 $ D \approx c / (\omega^2 \tau h) $ 直接测量光度距离，其中 $ \omega $、$ \tau $ 和 $ h $ 分别为轨道频率、啁啾时间与应变。
• 结合引力波距离测量与电磁对应体或宿主星系巡天提供的红移信息，构建引力哈勃图。
• 利用粒子物理与广义相对论的理论框架，对宇宙相变过程中的随机引力波背景（包括气泡碰撞、声波与湍流）进行建模。
• 评估原初黑洞双星及其相关引力波背景的可探测性，特别是质量为 $ 10^{20}–10^{22} $ g 的亚恒星质量原初黑洞，其引力波背景在mHz频段达到峰值。
• 研究宇宙弦的引力波特征，包括环振荡产生的谐波谱线及扭结事件产生的通用突发波形。
• 将LISA的预期灵敏度曲线与脉冲星定时阵列（PTA）、宇宙微波背景（CMB）及未来CMB实验的灵敏度曲线进行比较，以评估对相变与新物理的发现潜力。

实验结果

研究问题

• RQ1 在红移z ≈ 1–10处的大质量黑洞双星并合事件是否可作为标准汽笛源，用于测量暗能量主导时期内的宇宙膨胀历史？
• RQ2 在TeV能标下，强烈一级电弱相变产生的随机引力波背景的可探测阈值是多少？
• RQ3 基于空间的mHz频段引力波探测器能否通过自旋、偏心率与质量谱测量，区分原初黑洞双星与天体黑洞双星？
• RQ4 早期宇宙中产生的原初引力波背景在mHz频段会留下何种特征信号？如何将其与天体物理背景区分开来？
• RQ5 宇宙弦是否能产生可被LISA探测到的特征引力波信号（如窄带谱线或通用突发波形）？

主要发现

• mHz频段使LISA能够对红移 $ z \sim 10 $ 以内的标准汽笛源测量哈勃常数，将宇宙距离测量范围扩展至地面探测器无法触及的区域。
• 若相变足够强烈且发生于约 $ 1–100 $ TeV 的温度下，强烈一级电弱相变产生的随机背景可能在mHz频段达到峰值，且其幅度可被探测到。
• 质量为 $ 10^{20}–10^{22} $ g 的原初黑洞将产生在mHz频段达到峰值的随机引力波背景，若其构成暗物质的显著部分，则LISA可探测到此类信号。
• 宇宙弦可能产生窄带谱线及由扭结引发的突发波形，其波形具有通用性，可在mHz频段留下独特且可识别的信号。
• LISA对低频引力波的灵敏度优于脉冲星定时阵列与CMB实验，尤其在探测TeV能标下的相变与新物理方面具有优势。
• 基于空间的引力波探测器是唯一能直接探测原初黑洞暗物质与引力波相互作用的手段，从而可区分其原初形成与恒星形成通道。