[论文解读] Stochastic backgrounds of gravitational waves

Michele Maggiore|ArXiv.org|Aug 11, 2000

Geophysics and Gravity Measurements参考文献 2被引用 14

一句话总结

本文综述了探测引力波随机背景的理论与实验现状，强调其在揭示早期宇宙物理方面的潜力。文章评估了共振棒、地面激光干涉仪和LISA等探测器的灵敏度，表明未来仪器可探测到能量密度低至 $ h_0^2\Omega_{\rm gw} \sim 10^{-5} $ 的水平，而来自暴胀、弦宇宙学、宇宙弦和相变的关键理论预测值位于或接近可探测范围。

ABSTRACT

We review the motivations for the search of stochastic backgrounds of gravitational waves and we compare the experimental sensitivities that can be reached in the near future with the existing bounds and with the theoretical predictions.

研究动机与目标

• 评估搜寻随机引力波背景作为早期宇宙探针的科学动机。
• 将当前和计划中的引力波探测器灵敏度与理论预测及现有观测限制进行比较。
• 使用 $ h_0^2\Omega_{\rm gw}(f) $ 对随机背景进行表征，该量为红移无关的物理量，可实现不同实验间的稳健比较。
• 评估各类宇宙学与天体物理学源（包括暴胀、宇宙弦和相变）的可探测性。
• 阐明宇宙学与天体物理学随机背景之间的区别及其对未来探测的影响。

提出的方法

• 利用归一化至 $ h_0^2\Omega_{\rm gw}(f) $ 的无量纲能量密度 $ \Omega_{\rm gw}(f) $ 对随机引力波背景进行表征，以消除对不确定的 $ H_0 $ 的依赖。
• 通过傅里叶振幅的系综平均推导出谱密度 $ S_h(f) $，以在横截无迹规范下建模随机信号。
• 应用模式函数与相关技术，针对单个探测器和相关探测器对信噪比进行计算。
• 评估探测器应变灵敏度 $ h_{\rm sens} $，并与理论预测及观测限制进行比较。
• 分析来自原初核合成、毫秒脉冲星和COBE的限制，以约束 $ h_0^2\Omega_{\rm gw} $。
• 将暴胀、弦宇宙学、宇宙弦和一阶相变等理论模型与探测器灵敏度及现有限制进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 随机引力波背景的主要宇宙学与天体物理学来源是什么？
• RQ2 当前和未来探测器的灵敏度与 $ h_0^2\Omega_{\rm gw} $ 的理论预测相比如何？
• RQ3 在不同频率下，哪些观测限制约束了随机引力波背景的振幅？
• RQ4 未来数据中如何区分宇宙学与天体物理学随机背景？
• RQ5 随机背景的可探测阈值是多少？哪些模型在即将部署的仪器探测范围内？

主要发现

• 原初核合成限制在 $ f \sim 10^{-16} $ Hz 时给出 $ h_0^2\Omega_{\rm gw}(f) < 7 \times 10^{-14} $，对极早期宇宙模型构成约束。
• 毫秒脉冲星计时限制在 $ f \sim 10^{-16} $ Hz 时给出 $ h_0^2\Omega_{\rm gw} < 10^{-14} $，提供强有力的上限。
• COBE 数据在 $ f \sim 10^{-16} $ Hz 时约束 $ h_0^2\Omega_{\rm gw} < 10^{-14} $，与核合成和脉冲星限制一致。
• LISA 和第二代地面激光干涉仪预计可探测到 $ h_0^2\Omega_{\rm gw} \sim 10^{-5} $，覆盖能量密度五个数量级的新范围。
• 暴胀模型预测的 $ h_0^2\Omega_{\rm gw} $ 水平即使在 LISA 的灵敏度下仍低于当前探测阈值。
• 在有利的参数选择下，宇宙弦和一阶相变可产生可探测信号，部分模型在 LISA 频率下可达到 $ h_0^2\Omega_{\rm gw} \sim 10^{-10} $。