[论文解读] Extreme Gravity and Fundamental Physics

B. S. Sathyaprakash, Alessandra Buonanno+27 more|arXiv (Cornell University)|Mar 21, 2019

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 106被引用 43

一句话总结

天文2020科学白皮书综述未来引力波观测，特别是3G探测器，如何探测引力、暗物质以及紧致对象的本质，概述超越广义相对论的新物理的理论框架和观测特征。

ABSTRACT

Future gravitational-wave observations will enable unprecedented and unique science in extreme gravity and fundamental physics answering questions about the nature of dynamical spacetimes, the nature of dark matter and the nature of compact objects.

研究动机与目标

• 在极端引力环境中测试引力本质和基础物理的动机。
• 评估引力波如何探测强场引力以及对广义相对论的潜在偏离。
• 探讨暗物质候选者及紧致对象（如黑洞和中子星）的本质的含义。
• 确定可产生可观测信号的理论框架（标量-张量理论、洛伦兹/宇称违反、超越GR的紧致对象）。
• 概述3G探测器在改变对高曲率区间理解中的作用。

提出的方法

• 回顾当前的引力波检测（GW150914, GW170817）及其对GR测试的意义。
• 讨论超越GR理论及其在引力波中的预测信号（标量场、额外极化、偶极辐射、修正色散）。
• 分析涉及黑洞、中子星的暗物质情景及对GW信号的环境效应。
• 考虑外源紧致对象及其拟诺模态作为测试克尔度规的手段。
• 预测3G探测器的能力，通过观测高红移源和精确波形来约束引力子质量、洛伦兾以及宇称违反，以及通过引力波观测约束超轻玻色子。

实验结果

研究问题

• RQ1 引力波观测是否能够在动态时空中检验广义相对论的有效性？
• RQ2 在波形中有哪些信号表明偏离GR（如额外极化、偶极辐射、色散、双折射等），以及它们的可检测性如何？
• RQ3 GW观测对暗物质候选者及其与紧致对象相互作用意味着什么？
• RQ4 3G探测器如何通过紧电脑对事件约束新物理，如大质量引力子、洛伦兜违反和超轻玻色子？
• RQ5 未来的GW信号可能揭示哪些外源紧致对象或视界尺度现象？

主要发现

• 引力波携带来自强场引力的未被扭曲的信号，并能够在动态时空中测试GR。
• 3G探测器有望通过观测高红移源和精确波形来约束引力子质量以及洛伦兹违反效应。
• 引力波观测通过对二体动力学和可能的暗物质环境中的吸积/阻力的影响来探测暗物质。
• 未来探测器将以更高的精度测量中子星方程状态和潮汐效应，从而为致密物质物理提供信息。
• 外源紧致对象（如玻色子星、引力暴风星）可能留下与克尔黑洞不同的拟诺模态或环模信号，3G探测器可检验。
• 超轻玻色子和超旋转效应可能在黑洞的自旋分布和连续GW信号中留下可观测痕迹。