[论文解读] Gravitational Wave Physics and Astronomy in the nascent era

M. Arimoto, Hideki Asada+51 more|arXiv (Cornell University)|Apr 6, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 1被引用 5

一句话总结

本文回顾了LIGO/Virgo探测到双黑洞和双中子星后，引力波物理与天文学的基础发现及未来前景。文章概述了致密双星系统和核心坍缩超新星的引力波辐射理论框架，展示了引力波观测如何揭示核物质性质、重元素合成以及短伽马射线暴起源，并表明非探测结果通过随机引力波背景对原初黑洞丰度施加了约束。

ABSTRACT

The detections of gravitational waves (GW) by LIGO/Virgo collaborations provide various possibilities to physics and astronomy. We are quite sure that GW observations will develop a lot both in precision and in number owing to the continuous works for the improvement of detectors, including the expectation to the newly joined detector, KAGRA, and the planned detector, LIGO-India. In this occasion, we review the fundamental outcomes and prospects of gravitational wave physics and astronomy. We survey the development focusing on representative sources of gravitational waves: binary black holes, binary neutron stars, and supernovae. We also summarize the role of gravitational wave observations as a probe of new physics.

研究动机与目标

• 总结首次直接探测后引力波物理与天文学的现状及未来前景。
• 探讨来自双黑洞、双中子星和核心坍缩超新星的引力波信号在理论与观测上的意义。
• 探究引力波观测作为新物理探针的作用，包括通过诱导的随机引力波背景对原初黑洞丰度的约束。
• 强调多信使天文学在提升源定位精度和引力波事件物理解释方面的作用。
• 强调需要改进数据分析与理论建模，以释放引力波天体物理学的全部潜力。

提出的方法

• 使用数值相对论模拟来建模双中子星并合的波形，并提取潮汐可变形参数。
• 应用核心坍缩超新星的理论模型，预测引力波特征，包括圆偏振和快速旋转前体星的信号。
• 采用随机引力波背景（SGWB）形式化方法，推导双黑洞并合与原初曲率扰动的能量密度谱。
• 利用转移函数形式化方法，结合参考文献Wang:2019kaf中的宇宙学参数，推导诱导SGWB的无量纲能量密度谱。
• 将引力波数据与宇宙学红移及哈勃参数演化相结合，计算红移范围内的积分引力波能量通量。
• 利用引力波信号的零检测结果，对原初黑洞（PBH）丰度施加上限，分别基于并合双星事件和曲率扰动诱导的SGWB。

实验结果

研究问题

• RQ1 来自双黑洞的引力波信号在何种程度上揭示了孤立双星与致密星团中形成机制的差异？
• RQ2 通过双中子星并合的引力波观测，可对中子星的潮汐性质施加何种约束？
• RQ3 对核心坍缩超新星的引力波观测如何揭示非对称爆发动力学与中微子发射的信息？
• RQ4 随机引力波背景的非探测结果在多大程度上约束了宇宙中原初黑洞的丰度？
• RQ5 多信使后续观测（如伽马射线、光学、中微子）在多大程度上可改善引力波事件的解释？

主要发现

• LIGO/Virgo对大质量双黑洞的探测证实了质量超过20倍太阳质量的恒星级黑洞的存在，挑战了关于恒星演化的先前假设。
• 双中子星并合事件（如GW170817）提供了短伽马射线暴与中子星并合直接关联的证据，并证实r-过程是重元素核合成的主要场所。
• GW170817的潮汐可变形测量约束了中子星物质的状态方程，支持半径约为10–15 km的较软状态方程。
• 对并合双黑洞和曲率扰动的引力波信号非探测结果，允许对原初黑洞丰度施加上限，排除了在10−15–10−10 M⊙质量范围内存在显著PBH贡献的可能性。
• 未来第三代地面引力波探测器（如CE、ET）预计可使事件率提高千倍以上，并实现对引力波源的高统计精度分析。
• 原初曲率扰动产生的诱导随机引力波背景具有依赖于转移函数和宇宙学参数的特征能量谱，在10−15–10−10 Hz频段内，其可检测特征取决于PBH质量与丰度。