[论文解读] Snowmass2021 Cosmic Frontier White Paper: Fundamental Physics and Beyond the Standard Model

Emanuele Berti, Vítor Cardoso+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2022

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一句话总结

本Snowmass2021宇宙前沿白皮书提出，来自黑洞和中子星系统的引力波（GW）观测为强场引力和标准模型之外的物理学提供了变革性窗口。通过利用第三代地面探测器、像LISA这样的空间任务以及脉冲星计时阵列，本文展示了引力波如何用于检验广义相对论、探测黑洞视界、探测超轻玻色子、约束暗物质，并利用多信使数据绘制宇宙膨胀图景。

ABSTRACT

Gravitational wave detectors are formidable tools to explore strong-field gravity, especially black holes and neutron stars. These compact objects are extraordinarily efficient at producing electromagnetic and gravitational radiation. As such, they are ideal laboratories for fundamental physics and have an immense discovery potential. The detection of black hole binaries by third-generation Earth-based detectors, space-based detectors and pulsar timing arrays will provide exquisite tests of general relativity. Loud "golden" events and extreme mass-ratio inspirals can strengthen the observational evidence for horizons by mapping the exterior spacetime geometry, inform us on possible near-horizon modifications, and perhaps reveal a breakdown of Einstein's gravity. Measurements of the black-hole spin distribution and continuous gravitational-wave searches can turn black holes into efficient detectors of ultralight bosons across ten or more orders of magnitude in mass. A precise monitoring of the phase of inspiralling binaries can constrain the existence of additional propagating fields and characterize the environment in which the binaries live, bounding the local dark matter density and properties. Gravitational waves from compact binaries will probe general relativity and fundamental physics in previously inaccessible regimes, and allow us to address fundamental issues in our current understanding of the cosmos.

研究动机与目标

• 评估引力波探测器在强场区域检验广义相对论的潜力。
• 探讨黑洞和中子星系统如何作为量子引力与信息悖论的实验室。
• 研究引力波在探测超轻玻色子和探测暗物质分布中的作用。
• 利用多信使观测约束高红移处的哈勃常数和暗能量。
• 考察原初引力波与宇宙弦产生的引力波的宇宙学意义。

提出的方法

• 利用第三代地面探测器（如Cosmic Explorer、Einstein Telescope）探测恒星级双黑洞并合产生的高信噪比信号。
• 应用空间任务LISA探测mHz频段的引力波，观测极端质量比旋近和大质量黑洞双星。
• 利用脉冲星计时阵列探测超大质量黑洞双星产生的随机引力波背景。
• 分析引力波的偏振、传播速度和对称性特性，以检验广义相对论的修正。
• 通过黑洞光谱学和视界阴影测绘探测近视界物理，检验事件视界的存在。
• 结合引力波与电磁波数据，约束局部暗物质密度，并探测超轻玻色子场的非微扰效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 来自黑洞双星的引力波观测能否在强场区域对广义相对论提供决定性检验？
• RQ2 引力波在多大程度上能揭示视界的存在或对Kerr度规的偏离？
• RQ3 引力波信号能否通过超辐射或共振效应约束超轻玻色子的存在？
• RQ4 利用引力波与电磁波数据的多信使观测，能多精确地测量哈勃常数和暗能量演化？
• RQ5 来自暴胀或宇宙相变的原初引力波具有哪些可探测的特征信号？

主要发现

• 第三代地面探测器将能够观测到可观测宇宙中几乎所有恒星级双黑洞并合事件，显著提高信噪比。
• LISA将探测mHz频段的引力波，从而能够详细绘制极端质量比旋近的波形，并探测大质量黑洞周围的时空几何。
• 脉冲星计时阵列即将探测到由超大质量黑洞双星产生的随机引力波背景。
• 引力波观测可约束引力子质量，并检验引力波传播速度的偏离，当前数据与无质量引力子一致。
• 通过测量黑洞自旋分布和连续引力波，可在超过十个数量级的质量范围内探测超轻玻色子的存在。
• 对双星旋近过程的精确相位监测可约束局部暗物质密度，并约束暗物质场的性质，包括超轻玻色子凝聚态的非微扰效应。