[论文解读] Ground-Based Gravitational-Wave Astronomy in Australia: 2019 White Paper

M. Bailes, D. E. McClelland+19 more|arXiv (Cornell University)|Dec 13, 2019

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 4

一句话总结

该篇2019年白皮书主张，澳大利亚应通过资助引力波路径探测器以开发第三代观测站（如宇宙探索者）的关键技术，并通过维持一个国家级二级数据中心来引领下一代引力波天文学。该举措旨在实现对红移z=12的中子星并合事件以及z=37的黑洞并合事件的探测，从而揭示致密物质、宇宙演化及极端引力的奥秘。

ABSTRACT

The past four years have seen a scientific revolution through the birth of a new field: gravitational-wave astronomy. The first detection of gravitational waves---recognised by the 2017 Nobel Prize in Physics---provided unprecedented tests of general relativity while unveiling a previously unknown class of massive black holes, thirty times more massive than the Sun. The subsequent detection of gravitational waves from a merging binary neutron star confirmed the hypothesised connection between binary neutron stars and short gamma-ray bursts while providing an independent measurement of the expansion of the Universe. The discovery enabled precision measurement of the speed of gravity while shedding light on the origin of heavy elements. At the time of writing, the Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) and its European partner, Virgo, have published the detection of eleven gravitational-wave events. New, not-yet-published detections are announced on a nearly weekly basis. This fast-growing catalogue of gravitational-wave transients is expected to yield insights into a number of topics, from the equation of state of matter at supra-nuclear densities to the fate of massive stars. The science potential of 3G observatories is enormous, enabling measurements of gravitational waves from the edge of the Universe and precise determination of the neutron star equation of state. Australia is well-positioned to help develop the required technology. The Mid-term Review for the Decadal plan for Australian astronomy 2016-2025 should consider investment in a scoping study for an Australian Gravitational-Wave Pathfinder that develops and validates core technologies required for the global 3G detector network.

研究动机与目标

• 应对澳大利亚在引力波天文学领域向第三代观测站过渡期间维持领导地位的需求。
• 通过国家路径探测器设施推进技术发展，降低下一代探测器研发中的技术与财务风险。
• 通过专用二级数据中心确保澳大利亚能够处理和分析A+与未来3G探测器产生的指数级增长的数据量。
• 通过将引力波探测与射电及电磁天文台（如SKA和LISA）协同，推动多信使天文学的发展。
• 通过技术开发与基础设施准备，使澳大利亚成为宇宙探索者网络中的关键全球合作伙伴。

提出的方法

• 提出对澳大利亚引力波路径探测器（第一阶段）的初步研究，以验证宇宙探索者等3G探测器所需的核心技术。
• 开发并测试先进技术，包括低噪声悬挂系统、高功率激光器以及量子噪声抑制系统，以支持40公里量级的激光干涉仪。
• 建立国家级引力波数据中心作为二级设施，与全球数据网络集成，支持A+与3G数据的分析。
• 利用现有的ARC LIEF资助与国际合作，共同开发A+与未来3G观测站的组件。
• 利用路径探测器生成OzHF与宇宙探索者南站的精确成本估算与技术路线图，含10%的应急储备。
• 将数据中心运营与其它天文数据中心整合，以最大化效率并实现全国科研基础设施间的专业知识共享。

实验结果

研究问题

• RQ1 澳大利亚如何发展并验证第三代引力波探测器（如宇宙探索者）所需的核心技术？
• RQ2 建设国家级引力波路径探测器以降低3G观测站建设风险的最优设计与成本结构为何？
• RQ3 随着A+探测器使探测率提高约十倍，3G探测器使探测率提高约一千倍，澳大利亚如何确保在引力波科学分析方面持续领导地位？
• RQ4 澳大利亚在多信使天文学中可扮演何种角色，通过实现对高红移引力波事件的早期电磁波后随观测？
• RQ5 国家级数据中心如何实现规模扩展，以应对3G观测站产生的数据量，同时保持高性能与国际互操作性？

主要发现

• 澳大利亚引力波路径探测器预计在2025年前耗资500万澳元，将产出OzHF与宇宙探索者南站的含10%应急储备的成本估算。
• 引力波数据中心在2025年前需440万澳元资金以维持当前水平，支持约9个全职人员（FTE）及每五年一次的硬件更新。
• 宇宙探索者南站可探测到红移z=12的双中子星并合事件，此时宇宙年龄仅约4亿年，远超目前已知最远星系（z=11.09）。
• 宇宙探索者可探测到类似GW150914的双黑洞并合事件至红移z=37，远早于预期的恒星级黑洞形成时间。
• A+探测器将使双中子星并合的探测距离比先进LIGO远三倍，探测率提升约30倍，支持在并合前约十分钟发出警报。
• 第三代探测器的信噪比将比先进LIGO高出数千倍，从而实现广义相对论的精密检验，并在极端引力条件下探索新物理。