[论文解读] Probing Black Holes and Relativistic Stars with Gravitational Waves

Kip S. Thorne|ArXiv.org|Jun 26, 1997

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 6被引用 9

一句话总结

基普·S·特勒（Kip S. Thorne）的这篇论文提出，引力波观测将能够对黑洞和相对论性致密星中的广义相对论现象进行直接、实证探测，从而将理论预测转化为可检验的科学。通过分析黑洞并合和中子星振荡等事件的波形，研究人员可以绘制时空几何结构，约束物态方程，并探测如标量星和裸奇点等奇异天体。

ABSTRACT

In the coming decade, gravitational waves will convert the study of general relativistic aspects of black holes and stars from a largely theoretical enterprise to a highly interactive, observational/theoretical one. For example, gravitational-wave observations should enable us to observationally map the spacetime geometries around quiescient black holes, study quantitatively the highly nonlinear vibrations of curved spacetime in black-hole collisions, probe the structures of neutron stars and their equation of state, search for exotic types of general relativistic objects such as boson stars, soliton stars, and naked singularities, and probe aspects of general relativity that have never yet been seen such as the gravitational fields of gravitons and the influence of gravitational-wave tails on radiation reaction.

研究动机与目标

• 将引力波天文学确立为在强场区域实证检验广义相对论的变革性工具。
• 通过引力波信号实现对静止黑洞周围时空几何结构的观测映射。
• 通过波形分析研究黑洞并合过程中高度非线性的时空动力学。
• 通过其振荡模态研究中子星的内部结构和物态方程。
• 搜寻并表征如标量星、孤子星和裸奇点等奇异广义相对论天体。

提出的方法

• 利用引力波探测器观测并分析致密天体并合与振荡产生的波形。
• 应用广义相对论的理论模型来解释波形并提取时空几何参数。
• 利用相对论性致密星的共振模态推断其内部结构和物态方程。
• 利用波形检测偏离标准黑洞或中子星行为的奇异天体特征信号。
• 分析引力波尾部和辐射反作用效应，以探测广义相对论的细微方面。
• 利用未来探测器的数据，在极端引力环境中检验广义相对论的预测。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何利用引力波信号映射静止黑洞周围的时空几何结构？
• RQ2 从黑洞并合的 ringing-down 阶段波形中，可以提取关于最终黑洞质量与自旋的哪些信息？
• RQ3 中子星的振荡模态能否揭示其物态方程和内部组成？
• RQ4 引力波数据中哪些特征可表明如标量星或裸奇点等奇异天体的存在？
• RQ5 引力波尾部和辐射反作用效应如何影响致密天体系统的动力学？

主要发现

• 引力波观测将能够对静止黑洞周围的时空几何结构实现直接、实证的映射。
• 黑洞并合产生的波形将使人们能够对强场引力中高度非线性的时空振动进行定量研究。
• 中子星的振荡模态可用于探测其内部结构并约束其物态方程。
• 如标量星和裸奇点等奇异天体可能通过独特的引力波特征被探测到。
• 引力波尾部和引力子的引力场为广义相对论提供了此前未被观测到的新方面，可用于实证检验。
• 预计在未来十年内，对相对论性致密天体的理论研究将向观测研究转变。