[论文解读] eLISA: Astrophysics and cosmology in the millihertz regime

Pau Amaro‐Seoane, S Aoudia+28 more|arXiv (Cornell University)|Jan 17, 2012

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 342被引用 106

一句话总结

eLISA 提出了一项基于空间的引力波观测计划，对毫赫兹频段（0.1 mHz–1 Hz）敏感，可实现高信噪比检测大质量黑洞并合、极端质量比旋近、致密双星并合，以及红移 z=15 以内的宇宙随机背景。它将检验广义相对论在强引力场中的适用性，并探索早期宇宙物理学，标志着低频引力波天文学新时代的开启。

ABSTRACT

This document introduces the exciting and fundamentally new science and astronomy that the European New Gravitational Wave Observatory (NGO) mission (derived from the previous LISA proposal) will deliver. The mission (which we will refer to by its informal name "eLISA") will survey for the first time the low-frequency gravitational wave band (about 0.1 mHz to 1 Hz), with sufficient sensitivity to detect interesting individual astrophysical sources out to z = 15. The eLISA mission will discover and study a variety of cosmic events and systems with high sensitivity: coalescences of massive black holes binaries, brought together by galaxy mergers; mergers of earlier, less-massive black holes during the epoch of hierarchical galaxy and black-hole growth; stellar-mass black holes and compact stars in orbits just skimming the horizons of massive black holes in galactic nuclei of the present era; extremely compact white dwarf binaries in our Galaxy, a rich source of information about binary evolution and about future Type Ia supernovae; and possibly most interesting of all, the uncertain and unpredicted sources, for example relics of inflation and of the symmetry-breaking epoch directly after the Big Bang. eLISA's measurements will allow detailed studies of these signals with high signal-to-noise ratio, addressing most of the key scientific questions raised by ESA's Cosmic Vision programme in the areas of astrophysics and cosmology. They will also provide stringent tests of general relativity in the strong-field dynamical regime, which cannot be probed in any other way. This document not only describes the science but also gives an overview on the mission design and orbits.

研究动机与目标

• 通过观测毫赫兹频段的引力波，解决天体物理学与宇宙学中的关键科学目标。
• 通过星系并合过程中的并合事件，研究大质量黑洞的形成与演化。
• 利用对黑洞旋近、并合与 ringing 下降阶段信号的精确测量，在强场区域检验广义相对论。
• 探测并表征超紧凑双星系统，包括白矮双星及星系核中的恒星级致密天体。
• 通过全频谱灵敏度探索未知的引力波源，例如暴胀时期的原初遗迹或宇宙弦。

提出的方法

• 利用三颗相距100万公里的航天器组成三角形星座，形成激光激光干涉仪，测量激光束的差分相位偏移。
• 采用无拖曳控制与超稳定光学测距技术，实现在自由落体测量中达到皮米级精度。
• 利用 LISA Pathfinder 的技术遗产，包括无拖曳控制与激光测距，以实现 eLISA 的高灵敏度。
• 采用匹配滤波与贝叶斯推断技术，从噪声数据中提取微弱的引力波信号。
• 利用广义相对论与数值相对论，对大质量黑洞双星、极端质量比旋近及随机背景的引力波波形进行建模。
• 采用信噪比（SNR）分析评估各类源类型的可探测性与参数估计精度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在红移 z=8 以内，质量为 10^5–10^6 M☉ 的大质量黑洞双星的预期事件率与可探测性如何？
• RQ2 eLISA 能多精确地测量并合黑洞的质量与自旋参数？能否在强场区域检验广义相对论？
• RQ3 eLISA 对早期宇宙中随机引力波背景的灵敏度如何？能设定何种上限？
• RQ4 eLISA 能探测多少个极端质量比旋近（EMRIs）事件？这些事件能为星系中心动力学与黑洞质量提供何种洞见？
• RQ5 eLISA 能否探测到宇宙弦结点与拐点产生的引力波爆发？能对超弦理论模型施加何种约束？

主要发现

• eLISA 可探测红移高达 z=15 的大质量黑洞双星并合事件，对于质量比 m₂/m₁ > 1/3 的系统，平均信噪比（SNR）>60。
• eLISA 对黑洞质量的测量精度优于 1%，对自旋参数的测量精度优于 0.3，可对广义相对论在强场区域的适用性进行严格检验。
• eLISA 能在 10⁻⁴ Hz 至 10⁻¹ Hz 频段对随机引力波背景设定上限，对早期宇宙的宇宙学信号具有灵敏度。
• eLISA 将探测到数千个银河系内的超紧凑白矮双星，为双星演化及 Ia 型超新星前身体提供洞见。
• eLISA 可探测来自星系核的极端质量比旋近（EMRIs）事件，其事件率估计可达每年数十至数百个。
• eLISA 对宇宙弦结点与拐点产生的引力波爆发具有灵敏度，可对超弦理论模型施加具有宇宙学意义的约束。