[论文解读] The Promise of Low-Frequency Gravitational Wave Astronomy

T. Prince|arXiv (Cornell University)|Feb 28, 2009

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 5被引用 5

一句话总结

本白皮书概述了低频引力波天文学（10⁻⁵–1 Hz）的变革性潜力，重点聚焦于空间探测器LISA，以探测大质量黑洞并合、致密天体捕获以及密集双星系统。研究证明，LISA将通过直接观测强场引力和宇宙结构形成，实现对广义相对论和宇宙学前所未有的检验。

ABSTRACT

This Astro2010 science white paper provides an overview of the opportunities in low-frequency gravitational-wave astronomy, a new field that is poised to make significant advances. While discussing the broad context of gravitational-wave astronomy, this paper concentrates on the low-frequency region (10^(-5) to 1 Hz), a frequency range abundantly populated in strong sources of gravitational waves including massive black hole mergers, ultra-compact stellar-mass galactic binaries, and capture of compact objects by massive black holes in the nuclei of galaxies.

研究动机与目标

• 倡导将低频引力波天文学作为未来天体物理学研究的核心支柱。
• 突出在10⁻⁵–1 Hz频段探测引力波所开启的科学机遇。
• 强调LISA任务在探测大质量黑洞动力学与宇宙演化方面所具备的独特能力。
• 将低频引力波天文学定位为Astro2010十年调查优先事项的关键组成部分。

提出的方法

• 利用计划中的LISA（激光干涉空间天线）任务，观测低频波段的引力波。
• 通过环绕太阳轨道运行的三颗航天器之间的激光干涉，探测由经过的引力波引起的相位偏移。
• 建立大质量黑洞并合、极端质量比旋近以及银河系双星等预期引力波信号的模型。
• 评估LISA在目标频段内对灵敏度和源探测能力的影响。
• 评估LISA观测对宇宙学、广义相对论以及高能天体物理学的科学影响。
• 将理论预测与任务设计相结合，以最大化LISA观测窗口的科学回报。

实验结果

研究问题

• RQ1 在10⁻⁵–1 Hz频段中，哪些天体物理源主导了低频引力波背景？
• RQ2 LISA观测如何约束星系核中大质量黑洞的形成与演化？
• RQ3 通过探测强场引力波信号，可获得关于广义相对论与时空结构的哪些新见解？
• RQ4 致密天体被大质量黑洞捕获的速率与分布如何为星系演化模型提供信息？
• RQ5 利用低频引力波标准汽笛源，可高精度测量哪些宇宙学参数？

主要发现

• 预计LISA每年可探测数十至数百次大质量黑洞并合，为星系中心黑洞并合提供直接证据。
• 极端质量比旋近——致密天体螺旋式落入大质量黑洞——将为强引力场中广义相对论的精确检验提供机会。
• 银河系平面将成为未分辨的恒星级双星所产生混淆限制信号的丰富来源，从而支持双星演化过程的统计研究。
• 低频引力波将实现独立于宇宙距离阶梯的宇宙学距离测量，从而更严格约束暗能量。
• LISA对10⁻⁵–1 Hz频段的灵敏度将开启研究星系核动力学与超大质量黑洞增长的新窗口。
• 该任务将通过探测电磁波无法观测到的天体的引力波，实现多信使天文学。