[论文解读] Searching for Intelligent Life in Gravitational Wave Signals Part I: Present Capabilities and Future Horizons

Luke Sellers, Alexey Bobrick+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 5, 2022

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 4

一句话总结

本文提出利用像LIGO这样的引力波探测器来搜寻先进地外文明的 technosignature，特别是快速和/或大质量加速飞行器（RAMAcraft）。推导了线性加速大质量物体的引力波波形，并表明LIGO可探测到10–100 kpc距离内质量为木星质量的RAMAcraft，或1–10 pc距离内质量为月球质量的飞行器；未来探测器如DECIGO和BBO可将灵敏度提高约100倍，探测体积扩大10⁶倍。

ABSTRACT

We show that the Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (LIGO) is a powerful instrument in the Search for Extraterrestrial Intelligence (SETI). LIGO's ability to detect gravitational waves (GWs) from astrophysical sources, such as binary black hole mergers, also provides the potential to detect extraterrestrial mega-technology, such as Rapid and/or Massive Accelerating spacecraft (RAMAcraft). We show that LIGO is sensitive to RAMAcraft of 1 Jupiter mass accelerating to a fraction of the speed of light (e.g. 30\%) from $10 - 100\,$kpc or a Moon mass from $1-10\,$pc. While existing SETI searches can probe on the order of ten-thousand stars for human-scale technology (e.g. radio waves), LIGO can probe all 10$^{11}$ stars in the Milky Way for RAMAcraft. Moreover, thanks to the $f^{-1}$ scaling of RAMAcraft signals, our sensitivity to these objects will increase as low-frequency detectors are developed and improved, allowing for the detection of smaller masses further from Earth. In particular, we find that DECIGO and the Big Bang Observer (BBO) will be about 100 times more sensitive than LIGO, increasing the search volume by 10$^{6}$, while LISA and Pulsar Timing Arrays (PTAs) may improve sensitivities to objects with long acceleration periods. In this paper, we calculate the waveforms for linearly-accelerating RAMAcraft in a form suitable for LIGO, Virgo, and KAGRA searches and provide the range for a variety of masses and accelerations. We expect that the current and upcoming GW detectors will soon become an excellent complement to the existing SETI efforts.

研究动机与目标

• 探索利用引力波探测器作为地外智慧文明搜寻（SETI）工具的可行性。
• 评估快速或大质量加速飞行器（RAMAcraft）是否会产生可探测的引力波信号。
• 量化当前及未来引力波探测器对这类 technosignature 的探测范围。
• 提供适用于集成到现有引力波探测流水线的线性加速大质量物体的波形与灵敏度估计。
• 从恒星体积覆盖角度，比较引力波SETI与传统电磁SETI的探测范围。

提出的方法

• 基于相对论引力波生成理论，推导了具有恒定加速度的线性加速点质量的引力波应变h(f)。
• 计算出低频段信号谱的标度关系为h(f) ∝ f⁻¹，并考虑初速度和加速时间的影响进行修正。
• 应用匹配滤波技术估算信噪比（SNR）与探测范围，同时考虑探测器噪声与积分时间。
• 利用信噪比（SNR）理论，确定在给定置信度下可探测到RAMAcraft信号的最大距离。
• 通过比较其频率响应与噪声曲线，评估不同探测器（LIGO、LISA、DECIGO、BBO、PTA）的灵敏度差异。
• 通过数值模拟验证f⁻¹标度关系，并评估其对加速时间、速度与观测时间的依赖性。

实验结果

研究问题

• RQ1 LIGO等引力波探测器能否探测到作为潜在 technosignature 的大质量、快速加速飞行器（RAMAcraft）的信号？
• RQ2 在实际加速度剖面下，不同质量的RAMAcraft（如1木星质量、月球质量）的最大探测范围是多少？
• RQ3 未来引力波探测器（如DECIGO、BBO、LISA）在探测此类信号方面与LIGO相比灵敏度如何？
• RQ4 线性加速质量产生的引力波信号强度遵循何种标度规律，这些规律如何影响可探测性？
• RQ5 积分时间与数据样本长度如何影响通过匹配滤波探测RAMAcraft信号的能力？

主要发现

• LIGO可在10–100 kpc距离内探测到质量为木星质量、加速至光速30%的RAMAcraft，显著扩展了超越电磁SETI的搜寻体积。
• 利用LIGO可探测到1–10 pc距离内质量为月球质量的RAMAcraft，证明其对质量较小但加速度极高的天体具有灵敏度。
• 未来探测器如DECIGO和BBO预计比LIGO灵敏约100倍，探测体积扩大10⁶倍。
• 线性加速质量产生的引力波信号在低频段呈现h(f) ∝ f⁻¹的标度关系，仅受初速度和加速时间影响的微小修正。
• 当加速时间完全包含在数据段内时，匹配滤波的信噪比（SNR）近似与积分时间τ无关，验证了稳健的探测策略。
• 对RAMAcraft信号的灵敏度随频率降低而提高，意味着未来低频探测器将越来越有效地探测到更小或更遥远的 technosignature。