[论文解读] Mid-band gravitational wave detection with precision atomic sensors

Peter W. Graham, Jason M. Hogan+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 6, 2017

Atomic and Subatomic Physics Research参考文献 14被引用 80

一句话总结

本文评估 MAGIS 的科学潜力与在中频段（≈30 mHz 到 10 Hz）两颗卫星、基于原子干涉仪的探测器在探测引力波以及探测宇宙学和超轻暗物质方面的可行性。

ABSTRACT

We assess the science reach and technical feasibility of a satellite mission based on precision atomic sensors configured to detect gravitational radiation. Conceptual advances in the past three years indicate that a two-satellite constellation with science payloads consisting of atomic sensors based on laser cooled atomic Sr can achieve scientifically interesting gravitational wave strain sensitivities in a frequency band between the LISA and LIGO detectors, roughly 30 mHz to 10 Hz. The discovery potential of the proposed instrument ranges from from observation of new astrophysical sources (e.g. black hole and neutron star binaries) to searches for cosmological sources of stochastic gravitational radiation and searches for dark matter.

研究动机与目标

• 将中频段引力波探测确立为 LISA 与 LIGO 之间的空白点的动机。
• 提出基于 Sr 原子干涉仪、两卫星基线的 MAGIS 探测器概念。
• 评估跨天体物理、宇宙学和暗物质源的潜在科学案例。
• 概述仪器设计和灵敏度模型以评估可行性与性能。

提出的方法

• 描述一个具有 Sr 基原子钟与原子干涉仪的两卫星 MAGIS 配置。
• 解释使用两个远距离原子参考之间的差分相位以抵消激光噪声的测量策略。
• 给出具有引力波响应方程的共振和宽带工作模式。
• 概述仪器误差模型与关键噪声源及定量要求（振动、重力梯度、光子计数噪声、定时抖动、指向、温度、磁场）。
• 给出灵敏度曲线并讨论大动量传输和共振增强（n 与 Q）的优化。
• 讨论科学目标，包括 WD 双星、BH/NS 双星、IMBH、宇宙学源，以及暗物质信号。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 MAGIS 的 0.03 Hz 至 3 Hz 中频段内，可达到的引力波应变灵敏度是多少？
• RQ2 在宽带与共振工作模式下，MAGIS 能观测或约束哪些天体物理与宇宙学源？
• RQ3 MAGIS 如何实现与 AdvLIGO 及电磁观测设施的联合观测，以开展多信使天文学？
• RQ4 达到目标灵敏度所需的主导技术噪声源和所需的仪器规格有哪些？
• RQ5 MAGIS 能在中频段探测超轻暗物质及其他新物理吗？

主要发现

• MAGIS 能在 LISA 与 LIGO 之间的中频段（≈30 mHz 至 10 Hz）达到具有科学意义的应变灵敏度。
• 在 ~0.05 Hz 的发现模式下，MAGIS 可以探测大型 BH 双星和 WD 双星，并有潜在的并 merger 前定位。
• 具有 Q>1 的共振操作在目标频率处提高灵敏度，使更长寿命的源得以跟踪和定位。
• MAGIS 在并合的 NS-NS、NS-BH 和 BH-BH 汇合阶段具有度级天空定位潜力，有助于快速电磁跟进。
• 该仪器可通过原子跃迁调制探测宇宙学源（如暴涨信号、宇宙线、一次相变）和超轻暗物质。
• 灵敏度取决于对多种技术噪声源的控制（振动、重力梯度、光子计数噪声、定时抖动、指向、温度、磁场），并需要特定的工程规范。