[论文解读] The Next Generation Global Gravitational Wave Observatory: The Science Book

Sub String Theory Cosmology and ElemPart, Theoretical Physics|Data Archiving and Networked Services (DANS)|Nov 12, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 47

一句话总结

这篇论文倡导建立一个由新一代引力波探测器组成的网络（ET 和 CE，以及 LISA），并在极端物质、黑洞、宇宙学、引力和前沿源等科学目标方面进行概述，强调多信使天文学。

ABSTRACT

The next generation of ground-based gravitational-wave detectors will observe coalescences of black holes and neutron stars throughout the cosmos, thousands of them with exceptional fidelity. The Science Book is the result of a 3-year effort to study the science capabilities of networks of next generation detectors. Such networks would make it possible to address unsolved problems in numerous areas of physics and astronomy, from Cosmology to Beyond the Standard Model of particle physics, and how they could provide insights into workings of strongly gravitating systems, astrophysics of compact objects and the nature of dense matter. It is inevitable that observatories of such depth and finesse will make new discoveries inaccessible to other windows of observation. In addition to laying out the rich science potential of the next generation of detectors, this report provides specific science targets in five different areas in physics and astronomy and the sensitivity requirements to accomplish those science goals. This report is the second in a six part series of reports by the GWIC 3G Subcommittee: i) Expanding the Reach of Gravitational Wave Observatories to the Edge of the Universe, ii) The Next Generation Global Gravitational Wave Observatory: The Science Book (this report), iii) 3G R&D: R&D for the Next Generation of Ground-based Gravitational Wave Detectors, iv) Gravitational Wave Data Analysis: Computing Challenges in the 3G Era, v) Future Ground-based Gravitational-wave Observatories: Synergies with Other Scientific Communities, and vi) An Exploration of Possible Governance Models for the Future Global Gravitational-Wave Observatory Network.

研究动机与目标

• 激励开发下一代引力波探测器，以探测极端物质、引力和基础物理学。
• 解释全球探测器网络如何大幅扩大观测体积、定位精度和测量精度。
• 强调多信使观测（电磁波、中微子）在揭示宇宙学、核合成和天体物理过程中的作用。
• 确定关于中子星、黑洞、早期宇宙以及超越广义相对论的潜在新物理的关键科学问题。
• 概述提议的探测概念（爱因斯坦望远镜和宇宙探测者）及其预期的科学影响。

提出的方法

• 提出一个全球网络，由欧洲的爱因斯坦望远镜和美国及澳大利亚的宇宙探测者组成。
• 解释相对于当前探测器，预期的灵敏度提升和扩展的红移范围。
• 讨论3G探测器所能实现的科学目标，包括致密物质的状态方程、重元素产生和宇宙学。
• 描述地基3G探测器与太空基LISA在多段引力波天文学中的互补性。
• 概述预计的探测率、源人口统计以及将变得可能的引力和奇异物理测试。

实验结果

研究问题

• RQ1 3G探测器将如何约束致密物质的状态方程并揭示中子星核心的夸克/胶子相？
• RQ2 多信使引力波观测可以揭示重元素核合成和宇宙丰度起源吗？
• RQ3 全球3G GW网络将如何绘制跨越宇宙时间的黑洞和中子星种群分布，并告知它们的形成通道？
• RQ4 在多大程度上，下一代GW观测可以检验广义相对论并揭示强场引力中的新物理？
• RQ5 使用3G探测器检测和表征随机背景和原初引力波背景的前景如何？

主要发现

• 3G探测器将在灵敏度和天空定位能力上实现实质性跃升，使观测遍及广阔的宇宙体积。
• 至少由三台探测器组成的网络将实现多信使后续观测所需的精确定位和距离测量。
• 3G观测将使标准信标宇宙学、致密物质物理的测试，以及来自中子星合并的重元素产生洞见成为可能。
• 地基3G探测器与LISA的结合将实现多波段引力波天文学和更广泛的天体物理覆盖。
• 3G网络将在整个宇宙历史中探测恒星质量黑洞和中子星的并合，为前所未有的种群研究以及潜在的原初黑洞研究提供机会。
• 这一科学案例涵盖探测极端引力、基本物理以及最强大天体物理现象的起源。