[论文解读] Multimessenger Universe with Gravitational Waves from Binaries

B. S. Sathyaprakash, M. Bailes+10 more|arXiv (Cornell University)|Mar 22, 2019

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 54被引用 7

一句话总结

本文提出，第三代（3G）引力波探测器与多信使天文学将通过实现精确源定位、宿主星系识别以及多波段电磁波后续观测，彻底改变我们对致密双星并合的理解。研究表明，3G网络每年可探测多达990,000次双中子星并合，中位定位精度低于12 deg²，从而实现宇宙学测量、核合成研究，并通过LISA–3G联合观测原初大质量黑洞种子与中等质量黑洞，检验广义相对论。

ABSTRACT

Future GW detector networks and EM observatories will provide a unique opportunity to observe the most luminous events in the Universe involving matter in extreme environs. They will address some of the key questions in physics and astronomy: formation and evolution of compact binaries, sites of formation of heavy elements and the physics of jets.

研究动机与目标

• 评估第三代（3G）引力波探测器网络与电磁（EM）天文台协同观测在研究致密双星并合方面的科学潜力。
• 量化3G网络相比当前先进探测器在定位精度、宿主星系识别和宇宙距离测量方面带来的改进程度。
• 探讨LISA（毫赫兹波段）与3G探测器（音频波段）联合观测如何增强对黑洞形成通道的约束并检验广义相对论。
• 评估利用下一代望远镜在高红移探测中子星-黑洞及双中子星并合电磁对应体的可行性。
• 确定统计方法与电磁波后续观测如何提升未观测到电磁对应体的双黑洞并合事件的距离与红移测量精度。

提出的方法

• 利用Madau-Dickinson恒星形成历史模型和100 Myr时间常数的延迟时间模型，模拟并合率与红移分布。
• 采用包含LIGO-Hanford、LIGO-Livingston、Virgo、KAGRA以及未来3G探测器（1个爱因斯坦望远镜和2个宇宙探索者）的网络配置，计算探测率与定位精度。
• 应用统计方法，利用星系星表将引力波事件与宿主星系关联，尤其针对缺乏电磁对应体的双黑洞并合事件。
• 基于当前与未来设施（如LSST、Euclid、SKA、WFIRST）的曝光极限（AB星等、通量密度），建模电磁对应体在全电磁波段的可探测性。
• 模拟LISA在并合前数年探测恒星级双黑洞旋近的能力，为地面探测器提供早期预警。
• 结合LISA对偏心率与天区定位的精确测量，以及3G对自旋与光度距离的测量，打破参数之间的退化关系，从而约束形成机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 与当前探测器相比，3G引力波探测器网络在双中子星并合与中子星-黑洞并合事件的源定位方面将实现多大程度的提升？
• RQ2 利用下一代光学与红外望远镜，能否在高红移（z > 0.5）实现对类似GW170817事件的电磁波后续观测？
• RQ3 LISA–3G对中等质量黑洞种子与大质量双星系统的联合观测，能否揭示恒星级与超大质量黑洞种群之间的连续性？
• RQ4 LISA与3G探测器测量的致密双星的自旋、偏心率与倾角，如何约束其形成机制（如动力学组装或孤立双星演化）？
• RQ5 对未观测到电磁对应体的引力波事件，统计交叉相关方法与星系星表结合，是否具备测量宇宙学参数（如哈勃常数）的潜力，尤其在单个事件无电磁对应体时？

主要发现

• 3G网络（1ET+2CE）预计每年可探测约990,000次双中子星并合事件，中位定位误差为12平方度。
• 在中位定位精度12 deg²的条件下，3G网络将实现对千新星的亚角秒级电磁波定位，这对研究核合成与喷流物理至关重要。
• 3G网络每年将有14,000次事件的定位精度在1平方度以内，显著提升宿主星系识别与红移测量的准确性。
• LISA预计可探测到红移z ≈ 0.3以内的恒星级双黑洞，部分系统将在并合前数年进入其观测频带，从而实现早期预警。
• LISA–3G联合观测可将偏心率测量精度控制在Δe < 0.001以内，并打破倾角与光度距离之间的退化关系，从而增强对广义相对论的检验能力。
• 将3G探测的双黑洞事件与星系星表进行统计交叉相关，可将源定位至平均仅含一个星系的体积内，从而实现约1%不确定度的哈勃常数测量。