[论文解读] Probing neutron stars with gravitational waves

B. J. Owen|ArXiv.org|Mar 15, 2009

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 29被引用 6

一句话总结

本文提出，通过先进LIGO、Virgo及未来地下探测器对引力波（GW）的观测，可探测中子星内部结构，方法包括测量潮汐形变、准正规模和自转或吸积中子星的连续引力波辐射。关键成果包括：有望将中子星半径约束至约1公里精度，并在两倍核密度下约束状态方程参数；联合电磁（EM）与引力波数据可直接检验致密物质理论模型及吸积扭矩平衡模型。

ABSTRACT

Within the next decade gravitational-wave (GW) observations by Advanced LIGO in the United States, Advanced Virgo and GEO HF in Europe, and possibly other ground-based instruments will provide unprecedented opportunities to look directly into the dense interiors of neutron stars which are opaque to all forms of electromagnetic (EM) radiation. The 10-10000 Hz frequency band available to these ground-based interferometers is inhabited by many neutron star mode frequencies, spin frequencies, and inverse dynamical timescales. GWs can provide information on bulk properties of neutron stars (masses, radii, locations...) as well as microphysics of their substance (crystalline structure, viscosity, composition...), some of which is difficult or impossible to obtain by EM observations alone. The former will tell us about the astrophysics of neutron stars, and the latter will illuminate fundamental issues in nuclear and particle physics and the physics of extremely condensed matter. Although GW searches can be done "blind," they become richer and more informative with input from EM observations; and thus the combination of the two is crucial for learning the most we can about neutron stars. Healthy GW and EM observational programs must be accompanied by vigorous theoretical research on the interface of astrophysics, gravitational physics, nuclear and particle physics in order to extract the most from the observations.

研究动机与目标

• 确定引力波（GW）观测如何通过潮汐形变和连续引力波辐射探测中子星内部结构与状态方程。
• 强调电磁（EM）观测在提升引力波探测灵敏度和解释引力波信号方面所起的关键作用，尤其针对双星并合与吸积中子星系统。
• 倡导持续开展EM定时计划与理论建模，以最大化从已知脉冲星和暂现事件中获取引力波科学成果。
• 强调联合GW与EM观测在约束中子星微观物理过程（如超流性、黏滞性及核心中是否存在奇异物质）方面的重要性。
• 呼吁在群体合成、数值模拟与理论建模方面开展协调合作，以从引力波数据中提取天体物理与基础物理的深刻洞见。

提出的方法

• 利用先进激光干涉引力波探测器（Advanced LIGO、Virgo、GEO HF）探测中子星并合、星震以及自转或吸积中子星产生的连续引力波信号。
• 应用与长期EM定时模型相一致的相干匹配滤波技术，搜索已知脉冲星的连续引力波辐射，特别是自转降速率高或具有耀斑活动的脉冲星。
• 将引力波数据与电磁观测（如X射线爆发振荡、射电定时和伽马射电暴触发）相结合，以改善信号定位、增强探测灵敏度，并约束辐射机制。
• 利用双星并合的数值相对论模拟来建模潮汐破坏频率，并将其与中子星半径相关联；同时利用微扰理论预测轨道相位演化中的潮汐效应。
• 分析磁星耀发与星震的引力波上限，以约束地壳性质和磁场动力学，并检验准正规模激发模型。
• 利用未来地下引力波探测器观测长期r模振荡和耀斑后流体响应，从而获取关于致密物质中超流性和输运系数的信息。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何利用中子星并合的引力波信号以亚公里级精度测量中子星半径？
• RQ2 从双星并合波形中观测到的潮汐形变可对致密物质状态方程施加何种约束？
• RQ3 吸积中子星的连续引力波辐射能否证实r模不稳定性存在，并为其中心存在奇异物质提供证据？
• RQ4 引力波与电磁数据的联合使用如何改善对中子星信号的探测与解释，特别是在自转频率不确定的系统中？
• RQ5 EM定时数据在实现对已知脉冲星（尤其是自转降速率高或频繁发生耀斑的脉冲星）的相干引力波搜索中起何种作用？

主要发现

• 双中子星并合波形中的转折频率与中子星半径强相关，使得半径测量精度可能优于1公里。
• 双星系统轨道相位演化中的潮汐效应可使半径测量精度达到1公里以内，从而将两倍核密度下的压强约束在约10%以内。
• 若黑洞快速自转，Advanced LIGO或可从黑洞-中子星并合信号中的进动调制中以20%的精度测量中子星质量。
• 若能探测到像Sco X-1这样的吸积中子星的连续引力波，将证实GW/吸积扭矩平衡机制，并通过引力波与自转频率之比约束状态方程。
• 对脉冲星的同步GW与EM观测可区分静态椭球度与r模振荡作为辐射机制，其中r模探测将表明核心存在奇异物质。
• 未来地下引力波探测器或可观测到耀斑后流体内部响应产生的连续引力波信号，从而直接提供关于中子星内部超流性和输运系数的信息。