[论文解读] Snowmass2021 Cosmic Frontier White Paper: Future Gravitational-Wave Detector Facilities

S. Ballmer, R. X. Adhikari+15 more|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2022

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 8

一句话总结

本文提出下一代引力波探测器——宇宙探索者（Cosmic Explorer）、爱因斯坦望远镜（Einstein Telescope）以及先进的原子干涉仪，通过更长的基线、地下部署以及量子噪声受限的运行方式，显著提升灵敏度。这些设施将实现对广义相对论的前所未有的检验、暗物质搜寻，以及对宇宙时空中中子星状态方程的测量。

ABSTRACT

The next generation of gravitational-wave observatories can explore a wide range of fundamental physics phenomena throughout the history of the universe. These phenomena include access to the universe's binary black hole population throughout cosmic time, to the universe's expansion history independent of the cosmic distance ladders, to stochastic gravitational-waves from early-universe phase transitions, to warped space-time in the strong-field and high-velocity limit, to the equation of state of nuclear matter at neutron star and post-merger densities, and to dark matter candidates through their interaction in extreme astrophysical environments or their interaction with the detector itself. We present the gravitational-wave detector concepts than can drive the future of gravitational-wave astrophysics. We summarize the status of the necessary technology, and the research needed to be able to build these observatories in the 2030s.

研究动机与目标

• 概述未来引力波天文台在探测宇宙历史中基础物理方面的科学潜力。
• 识别在2030年代建设下一代探测器所需的关键技术挑战与研究需求。
• 提出一种多方面方法，结合大规模激光干涉仪、现有设施的升级（LIGO Voyager）以及新兴的原子干涉仪技术。
• 通过整合引力波数据与电磁波和粒子探测器数据，推动多信使天体物理学的发展。
• 将观测范围扩展至高红移双黑洞、随机引力波背景以及强场引力区域。

提出的方法

• 设计具有40公里臂长激光干涉仪的宇宙探索者，以实现低于10 Hz的应变灵敏度，利用放大版的LIGO技术，采用低风险、高灵敏度的架构。
• 实施爱因斯坦望远镜，作为具有60°夹角的10公里三角形干涉仪，地下部署以抑制低频牛顿噪声。
• 通过LIGO Voyager升级现有LIGO设施，使用先进组件扩展其观测范围，而无需全面重建。
• 开发如MAGIS和AION等原子干涉仪，以覆盖0.1–10 Hz频段，弥合LISA与地面探测器之间的空白。
• 通过先进建模与控制技术，应对牛顿噪声和量子测量反作用等共性挑战。
• 集成新技术，如高功率激光、量子压缩态以及低温悬挂系统，以突破灵敏度极限。

实验结果

研究问题

• RQ1 下一代激光干涉仪如宇宙探索者和爱因斯坦望远镜如何实现探测早期宇宙及高红移源引力波所需的灵敏度？
• RQ2 将LIGO类探测器扩展至40公里和10公里基线并实现低于10 Hz灵敏度的关键技术与工程挑战是什么？
• RQ3 像MAGIS和AION这样的原子干涉仪在探测中频段引力波方面，能在多大程度上补充地面和空间探测器？
• RQ4 量子测量技术与压缩光如何减少未来探测器中的量子噪声，以实现更高精度？
• RQ5 未来引力波天文台在强场区域检验广义相对论以及探测暗物质候选者方面将发挥何种作用？

主要发现

• 预计宇宙探索者可在10 Hz处实现低于10−24 Hz−1/2的应变灵敏度，从而探测到红移z ≈ 20的双黑洞并合事件。
• 爱因斯坦望远镜预计在10 Hz处达到约10−24 Hz−1/2的应变灵敏度，由于地下部署与三角形几何结构，其低频响应性能将得到显著改善。
• LIGO Voyager的升级可使当前LIGO设施的灵敏度提升2至3倍，从而探测到更多双黑洞与中子星并合事件。
• 如MAGIS-100和AION等原子干涉仪预计可在1–10 Hz频段实现约10−20 Hz−1/2的应变灵敏度，开启全新的观测窗口。
• 先进量子技术，包括压缩光与量子非破坏性测量，在突破未来探测器中量子噪声极限方面至关重要。
• 宇宙探索者、爱因斯坦望远镜与原子干涉仪的结合，将使多信使研究中子星并合、黑洞种群以及早期宇宙相变成为可能。