[论文解读] The North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves

Jenet, F., Finn, L. S.+22 more|ArXiv.org|Sep 5, 2009

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 12

一句话总结

NANOGrav 提出利用北美洲分布的毫秒脉冲星构建脉冲星计时阵列，以探测来自超大质量黑洞双星和早期宇宙现象的纳赫兹频段引力波。通过测量一组精确计时脉冲星中相关联的计时残差，该项目计划在现有射电望远镜和升级后仪器的支持下，于未来十年内探测到引力波。

ABSTRACT

The North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav) is a consortium of astronomers whose goal is the creation of a galactic scale gravitational wave observatory sensitive to gravitational waves in the nHz-microHz band. It is just one component of an international collaboration involving similar organizations of European and Australian astronomers who share the same goal. Gravitational waves, a prediction of Einstein's general theory of relativity, are a phenomenon of dynamical space-time generated by the bulk motion of matter, and the dynamics of space-time itself. They are detectable by the small disturbance they cause in the light travel time between some light source and an observer. NANOGrav exploits radio pulsars as both the light (radio) source and the clock against which the light travel time is measured. In an array of radio pulsars gravitational waves manifest themselves as correlated disturbances in the pulse arrival times. The timing precision of today's best measured pulsars is less than 100 ns. With improved instrumentation and signal-to-noise it is widely believed that the next decade could see a pulsar timing network of 100 pulsars each with better than 100 ns timing precision. Such a pulsar timing array (PTA), observed with a regular cadence of days to weeks, would be capable of observing supermassive black hole binaries following galactic mergers, relic radiation from early universe phenomena such as cosmic strings, cosmic superstrings, or inflation, and more generally providing a vantage on the universe whose revolutionary potential has not been seen in the 400 years since Galileo first turned a telescope to the heavens.

研究动机与目标

• 利用毫秒脉冲星网络作为宇宙时钟，探测 nHz–μHz 频段的低频引力波。
• 通过双黑洞并合的引力波信号研究星系与超大质量黑洞的共演化。
• 通过随机引力波背景探测早期宇宙物理的痕迹，例如宇宙弦或暴胀过程。
• 探究时空的基本性质，并在强场区域检验广义相对论。
• 通过长期、高精度的脉冲星计时，发现此前未被探测到的引力波源。

提出的方法

• 利用由 100 多颗毫秒脉冲星组成的脉冲星计时阵列（PTA），其计时精度低于 100 ns。
• 测量脉冲信号到达时间的残差，以探测由引力波引起的关联性偏差。
• 应用先进的统计分析方法，识别多个脉冲星之间相关的计时残差，将其与噪声或仪器效应区分开来。
• 实施实时射频干扰（RFI）抑制和星际介质（ISM）修正技术，以提高计时精度。
• 升级主要望远镜（GBT、阿雷西博、ATA、EVLA）的后端系统，并安装双频接收机，以提升带宽和信噪比。
• 为相控阵望远镜（如艾伦望远镜阵列）和未来的平方公里阵列（SKA）开发非成像计时模式。

实验结果

研究问题

• RQ1 脉冲星计时阵列是否能在未来十年内探测到来自超大质量黑洞双星的引力波？
• RQ2 PTA 对来自宇宙弦或暴胀过程的随机引力波背景的灵敏度如何？
• RQ3 如何将计时残差与由星际介质、RFI 或脉冲星自转噪声引起的系统误差区分开来？
• RQ4 为实现大规模脉冲星网络中亚 100 ns 的计时精度，需要哪些仪器和数据分析方面的改进？
• RQ5 SKA 时代将如何基于 NANOGrav 的基础设施和数据分析框架，推动引力波天文学的早期发展？

主要发现

• 拥有 100 颗脉冲星且计时精度低于 100 ns 的脉冲星计时阵列，有望在未来十年内探测到来自超大质量黑洞双星的引力波。
• 该项目十年总预算估计为 6600 万美元，其中包括每年 2000 万美元的格林班克望远镜和阿雷西博天文台观测时间费用。
• NANOGrav 需要阿雷西博望远镜 10% 的观测时间以及格林班克望远镜 20% 的观测时间，以实现其科学目标。
• 对 GBT 和阿雷西博望远镜后端系统及双频接收机的升级，预计硬件成本为 100 万美元，下一代后端开发成本为 40 万美元。
• 项目每年将支持 8 名博士后研究员、10 名研究生和 4 名技术人员，直接经费支出为每年 200 万美元。
• 实时 RFI 抑制和 ISM 修正技术的开发对实现所需计时精度至关重要，并将为未来 SKA 时代的观测铺平道路。