[论文解读] Gravitational wave astronomy with LIGO and similar detectors in the next decade

The LIGO Scientific Collaboration|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2019

Geophysics and Gravity Measurements被引用 23

一句话总结

本文概述了LIGO科学合作组织在未来十年内开展引力波天文学的计划，利用Advanced LIGO、Virgo、KAGRA以及LIGO-India等地面探测器的灵敏度提升，探测双黑洞和中子星并合事件。文中详细说明了这些观测将如何实现广义相对论的检验，研究极端条件下中子星物质的性质，通过标准 sirens 测量哈勃常数，并通过协调警报和数据共享推动多信使天文学的发展。

ABSTRACT

We describe the plans for gravitational-wave observations and astrophysics that will be carried out by the LIGO Scientific Collaboration (LSC) in the next decade using data from the LIGO Observatories in the US, and sister facilities abroad in Europe, Japan and India. We provide an overview of gravitational wave signal types that we are targeting, and the role of gravitational waves in time-domain multi-messenger astronomy. We briefly summarize what we can infer from the properties of detected signals, including astrophysical event rates and populations, tests of gravitational-wave properties, highly-dynamical and strong-field tests of General Relativity, probing matter under extreme conditions in neutron stars, and making cosmological measurements with gravitational-wave sources.

研究动机与目标

• 通过提升探测器灵敏度并扩展全球地面观测网络，推进引力波天体物理学。
• 通过增强低时延信号处理与数据共享，实现实时警报，支持多信使天文学。
• 通过详细分析双中子星并合波形，约束中子星物质的状态方程。
• 利用致密双星并合波形，在强场动力学区域对广义相对论进行高精度检验。
• 通过引力波标准 sirens 测量哈勃常数，结合波形中的距离模量与电磁对应体的红移。

提出的方法

• 利用计划中的Advanced LIGO（A+）灵敏度升级以及印度和日本未来探测器，将天文范围扩大数倍。
• 在LIGO、Virgo、KAGRA和GEO600之间实施协调观测运行，以提高天区定位精度和事件探测率。
• 应用低时延数据分析流程，在引力波触发后数分钟内发布公开警报，支持快速电磁波后续观测。
• 利用校准后的引力波数据，通过贝叶斯推断和基于爱因斯坦场方程的波形建模提取源参数。
• 通过群体水平分析检测多个信号中广义相对论的偏离，包括并合与振铃阶段。
• 将引力波数据与电磁观测（如千新星、伽马射电暴）及星系星表结合，测量光度距离与红移。

实验结果

研究问题

• RQ1 计划中的Advanced LIGO和A+探测器灵敏度升级将如何提升双黑洞与中子星并合事件的探测率？
• RQ2 引力波观测在多大程度上可通过并合后波形分析约束中子星物质的状态方程？
• RQ3 能否利用波形模型在双黑洞并合的强场动力学区域探测到广义相对论的偏离？
• RQ4 在有无电磁对应体的情况下，使用引力波标准 sirens 测量哈勃常数的精度如何？
• RQ5 全球探测器网络在支持瞬变引力波事件实时多信使后续观测中将发挥何种作用？

主要发现

• A+探测器升级预计可将双中子星并合事件的探测范围扩展至约1000 Mpc，使探测空间体积扩大数倍。
• 在灵敏度提升与全球网络协同下，未来十年内，恒星级双黑洞并合事件的探测率预计提升100倍。
• LIGO-India与KAGRA的加入将提升天区定位精度，实现更精确的多信使后续观测，尤其针对具有电磁对应体的事件。
• 对双中子星并合事件的引力波观测将通过标准 sirens 方法直接测量哈勃常数，若结合数百次事件，精度有望达到1–2%。
• 来自中子星的连续引力波及并合后信号将为中子星结构、磁场特性以及冷而致密物质的本质提供新见解。
• 对引力波信号的群体水平分析将使广义相对论在强场区域的检验成为可能，包括对额外极化模式的搜索及后牛顿系数的偏离检测。