[论文解读] Tests of General Relativity and Fundamental Physics with Space-based Gravitational Wave Detectors

Emanuele Berti, Enrico Barausse+15 more|arXiv (Cornell University)|Mar 7, 2019

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 10

一句话总结

本白皮书提出，像LISA这样的空间引力波探测器将能够对广义相对论进行精确检验，并在强引力场 regime 中探索基础物理，特别是通过高信噪比观测大质量黑洞并合与极端质量比旋近事件。该研究证明，此类探测器可实现亚0.1%精度的引力理论检验，约束超轻玻色子暗物质场，并通过自旋、偏心率和随机背景测量探测原初黑洞暗物质情景。

ABSTRACT

Low-frequency gravitational-wave astronomy can perform precision tests of general relativity and probe fundamental physics in a regime previously inaccessible. A space-based detector will be a formidable tool to explore gravity's role in the cosmos, potentially telling us if and where Einstein's theory fails and providing clues about some of the greatest mysteries in physics and astronomy, such as dark matter and the origin of the Universe.

研究动机与目标

• 确立空间引力波探测器作为在强引力场 regime 中对广义相对论进行精确检验的科学依据。
• 探讨空间天文台如何探测广义相对论之外的基础物理，包括修正引力理论和与黑洞耦合的量子场论。
• 证明空间探测器可通过超辐射不稳定性与黑洞自旋测量，约束超轻玻色子暗物质场。
• 研究空间引力波探测器通过偏心率、自旋和质量谱测量，区分原初黑洞双星与恒星起源双星的潜力。
• 评估LISA对原初黑洞并合与原初曲率扰动产生的随机引力波背景的灵敏度。

提出的方法

• 利用空间激光干涉仪（如LISA）可探测到的、来自大质量黑洞并合与极端质量比旋近（EMRIs）的高信噪比（SNR > 100）引力波信号。
• 建立对广义相对论修改的影响模型，包括引力波生成、传播、黑洞时空结构与动力学，涵盖强等效原理破坏与引力洛伦兹对称性破缺。
• 以Kerr度规为基准，检验包含高阶曲率项的替代引力理论所预测的黑洞时空偏离。
• 应用超辐射不稳定性理论，预测旋转黑洞周围玻色子云的形成及在频率 f ∼ ms/ħ 处的引力波辐射。
• 通过两阶与三阶相关函数分析原初黑洞双星与原初曲率扰动产生的随机引力波背景，以探测暗物质情景。
• 结合电磁波自旋测量（如连续谱拟合、Fe Kα线）与未来引力波自旋测量，约束超轻玻色子的质量范围。

实验结果

研究问题

• RQ1 空间引力波探测器能否在亚0.1%精度水平上对强场区域的广义相对论进行精确检验，超越当前地基探测的极限？
• RQ2 空间探测器在多大程度上可通过超辐射不稳定性与黑洞自旋测量，约束超轻玻色子暗物质场的存在？
• RQ3 双黑洞系统的偏心率、自旋与质量谱如何有助于区分原初黑洞双星与恒星起源双星？
• RQ4 LISA能否在mHz频段探测或约束原初黑洞并合与原初曲率扰动产生的随机引力波背景？
• RQ5 通过其增强的超辐射不稳定性，可对假设的暗光子或大质量引力子的质量施加何种约束？

主要发现

• 像LISA这样的空间探测器可实现亚0.1%精度的广义相对论检验，相比当前地基探测的精度提升100至1000倍。
• LISA可探测质量范围为 ms ∼10−19–10−15 eV 的超轻玻色子质量，其范围超出地球基探测器的探测能力，覆盖了弦论轴宇宙与模糊暗物质情景中的相关质量。
• 通过空间引力波探测器测量黑洞自旋，可约束或探测质量范围为 ms ∼10−16–10−13 eV 的轻量级标量场，该区域对电磁观测不可及。
• 对极端质量比旋近事件引力波的探测将使我们能够测量高达 10^4–10^5 个引力波周期，从而实现极为精确的天体物理与基础物理测量。
• LISA可通过测量偏心率与自旋分布，高灵敏度地区分原初黑洞双星与恒星起源双星的形成通道，尤其对高红移、低恒星形成率的并合事件具有强分辨能力。
• LISA对mHz频段窗口具有独特敏感性，该窗口对应于原初黑洞暗物质质量范围 10−13–10−11 M⊙ 的未充分约束区域，可通过随机背景的两阶与三阶相关函数实现探测。