[论文解读] The missing link in gravitational-wave astronomy: A summary of discoveries waiting in the decihertz range

Manuel Arca Sedda, C. P. L. Berry+26 more|arXiv (Cornell University)|Apr 29, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 144被引用 7

一句话总结

该论文提出建设一个德西赫兹天文台（DO），以填补地面探测器（如LIGO）与空间任务（如LISA）之间的观测空白，实现对中等质量黑洞的探测、双中子星并合的早期预警信号以及对广义相对论和粒子物理的检验。DO将在0.1–10 Hz频段运行，利用激光干涉测量和原子钟等先进技术，实现所需的灵敏度，从而推动天体物理学和基础物理的变革性发现。

ABSTRACT

Since 2015 the gravitational-wave observations of LIGO and Virgo have transformed our understanding of compact-object binaries. In the years to come, ground-based gravitational-wave observatories such as LIGO, Virgo, and their successors will increase in sensitivity, discovering thousands of stellar-mass binaries. In the 2030s, the space-based LISA will provide gravitational-wave observations of massive black holes binaries. Between the $\sim 10$-$10^3~\mathrm{Hz}$ band of ground-based observatories and the $\sim10^{-4}$-$10^{-1}~\mathrm{Hz}$ band of LISA lies the uncharted decihertz gravitational-wave band. We propose a Decihertz Observatory to study this frequency range, and to complement observations made by other detectors. Decihertz observatories are well suited to observation of intermediate-mass ($\sim10^2$-$10^4 M_\odot$) black holes; they will be able to detect stellar-mass binaries days to years before they merge, providing early warning of nearby binary neutron star mergers and measurements of the eccentricity of binary black holes, and they will enable new tests of general relativity and the Standard Model of particle physics. Here we summarise how a Decihertz Observatory could provide unique insights into how black holes form and evolve across cosmic time, improve prospects for both multimessenger astronomy and multiband gravitational-wave astronomy, and enable new probes of gravity, particle physics and cosmology.

研究动机与目标

• 解决当前地面探测器与未来空间探测任务之间在德西赫兹引力波频段（0.1–10 Hz）缺乏观测灵敏度的问题。
• 实现对中等质量黑洞（10²–10⁴ M☉）的探测，并研究其形成与演化过程。
• 为恒星级双中子星和双黑洞系统提供在并合前数天至数年的早期预警信号。
• 实现对双星系统偏心率的精确测量，并在强场区域对广义相对论进行检验。
• 通过引力波特征为标准模型粒子物理提供新的探测途径。

提出的方法

• 提出将一个空间基德西赫兹天文台（DO）作为唯一可行平台，用于探测0.1–10 Hz频段的引力波。
• 利用激光干涉测量与原子钟技术，实现所需低频段的灵敏度与相位稳定性。
• 基于LISA类架构，建立两种概念设计——DO-保守型与DO-最优型——以评估可实现的灵敏度与科学回报。
• 将DO的灵敏度曲线与现有及计划中的探测器（LISA、aLIGO、宇宙探索者、爱因斯坦望远镜）进行比较，确立其独特的科学定位。
• 整合广义相对论、黑洞物理与粒子物理的理论框架，以定义德西赫兹频段中可测量的物理信号。
• 评估DO任务的技术可行性与发展路线图，潜在发射窗口为2035–2050年。

Figure 1: Concept designs for Decihertz Observatories (DOs) fill the gap between LISA Audley:2017drz and ground-based detectors like Advanced LIGO (aLIGO) TheLIGOScientific:2014jea , Cosmic Explorer (CE) Evans:2016mbw and the Einstein Telescope (ET) Hild:2010id . The example DO concepts SAGE Lacour:

实验结果

研究问题

• RQ1 在德西赫兹引力波频段中可探测到哪些天体物理源？它们与低频段和高频段所观测到的源有何不同？
• RQ2 德西赫兹天文台能否为双中子星并合提供早期预警信号？此类预警的预期提前时间是多少？
• RQ3 DO在多大程度上可精确测量双黑洞系统的偏心率？这又如何揭示密集星场中黑洞形成与演化的动力学机制？
• RQ4 德西赫兹引力波如何用于检验广义相对论的强场区域？又如何用于探测标准模型之外的新物理？
• RQ5 为实现DO所需的灵敏度，需要哪些关键技术进步？在DO-最优型与DO-保守型等设计中，哪一种能提供最具前景的科学回报？

主要发现

• 德西赫兹天文台将能以高信噪比探测中等质量黑洞双星（10²–10⁴ M☉），从而实现对其并合动力学与形成路径的深入研究。
• 恒星级双星系统（如中子星与黑洞）可在并合前数年被观测到，为多信使天文学提供关键的早期预警。
• DO将能以高精度测量双黑洞系统的偏心率，为密集星场中动力学形成机制提供重要线索。
• DO将实现广义相对论在强场区域的新检验，特别是通过探测后牛顿修正项与波形偏差。
• DO-最优型与DO-保守型设计表明，从先进激光干涉测量到基于原子钟的定时等多种技术路径，均可实现德西赫兹频段所需的灵敏度。
• DO任务在技术上是可行的，且可在2035至2050年间实现发射，为天体物理学与基础物理带来变革性的科学回报。