[论文解读] The Gravitational Universe

The Elisa Consortium, :+159 more|arXiv (Cornell University)|May 24, 2013

Computational Physics and Python Applications被引用 137

一句话总结

本文提出eLISA，一种基于空间的引力波天文台，旨在探测全天范围的时空涟漪，从而实现对黑洞形成、星系演化以及广义相对论检验的前所未有的观测。通过测量从红移z ~ 20至现今的宇宙历史中各类源产生的引力波，eLISA将为早期宇宙和极端引力环境提供直接洞察。

ABSTRACT

The last century has seen enormous progress in our understanding of the Universe. We know the life cycles of stars, the structure of galaxies, the remnants of the big bang, and have a general understanding of how the Universe evolved. We have come remarkably far using electromagnetic radiation as our tool for observing the Universe. However, gravity is the engine behind many of the processes in the Universe, and much of its action is dark. Opening a gravitational window on the Universe will let us go further than any alternative. Gravity has its own messenger: Gravitational waves, ripples in the fabric of spacetime. They travel essentially undisturbed and let us peer deep into the formation of the first seed black holes, exploring redshifts as large as z ~ 20, prior to the epoch of cosmic re-ionisation. Exquisite and unprecedented measurements of black hole masses and spins will make it possible to trace the history of black holes across all stages of galaxy evolution, and at the same time constrain any deviation from the Kerr metric of General Relativity. eLISA will be the first ever mission to study the entire Universe with gravitational waves. eLISA is an all-sky monitor and will offer a wide view of a dynamic cosmos using gravitational waves as new and unique messengers to unveil The Gravitational Universe. It provides the closest ever view of the early processes at TeV energies, has guaranteed sources in the form of verification binaries in the Milky Way, and can probe the entire Universe, from its smallest scales around singularities and black holes, all the way to cosmological dimensions.

研究动机与目标

• 建立全面的全天引力波监测能力，以观测动态宇宙现象。
• 追踪从红移z ~ 20的首批原初种子黑洞到现今系统的黑洞形成与演化过程。
• 通过精确测量黑洞质量与自旋，检验广义相对论的预测，特别是Kerr度规。
• 探测并表征银河系内的验证双星系统，作为仪器校准与验证的保证源。
• 利用引力波作为新的观测窗口，探测宇宙学尺度与极端引力环境，包括奇点与早期宇宙。

提出的方法

• 利用三颗航天器组成三角形激光干涉仪，在日心轨道中运行，以纳米级精度探测引力波。
• 利用每颗航天器内自由下落的试验质量之间的激光干涉，测量引力波经过时引起的时空畸变。
• 采用低频段（0.1 mHz 至 1 Hz），专为探测大质量黑洞并合与极端质量比旋近事件而优化。
• 实施先进的数据分析技术，从天体背景噪声与仪器噪声中提取微弱的引力波信号。
• 利用验证双星——银河系内的近距离双星系统——作为已知源，校准并验证任务的灵敏度与响应特性。
• 整合多波段与多信使数据，在可能的情况下，通过电磁波与中微子观测交叉验证引力波探测结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 引力波观测在多大程度上能约束红移z ~ 20处第一代黑洞的形成历史？
• RQ2 测量得到的黑洞质量与自旋在多大程度上偏离广义相对论中Kerr度规的预测？
• RQ3 大质量黑洞在宇宙时间中的分布与演化特征如何？其与星系形成之间存在何种关联？
• RQ4 eLISA能否探测并表征早期宇宙中的极端质量比旋近事件与中等质量黑洞？
• RQ5 该任务在多大程度上可作为持续的全天引力波源瞬变与持久源监测平台？

主要发现

• eLISA能够探测到红移z ~ 20处的黑洞并合与极端质量比旋近事件产生的引力波，从而探测宇宙再电离之前的时代。
• 该任务将实现亚百分之一精度的黑洞质量与自旋测量，从而对Kerr度规进行严格检验。
• 银河系中的验证双星将提供保证的、特性明确的源，用于仪器校准与性能验证。
• eLISA将提供对动态宇宙的独一无二的全天视野，探测来自宇宙距离与极端引力环境的源。
• 该天文台将通过引力波特征探测早期宇宙过程的TeV尺度物理，这些过程在电磁波手段下不可见。
• 任务设计确保对瞬变事件与连续引力波信号均具备灵敏度，从而实现对引力宇宙的全面监测。