[论文解读] The unique potential of extreme mass-ratio inspirals for gravitational-wave astronomy

C. P. L. Berry, Scott A. Hughes+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 8, 2019

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 3被引用 49

一句话总结

由 LISA 观测的 EMRIs 将实现对大质量黑洞性质的高精度测量，检验强场引力，绘制黑洞时空图像，并约束宇宙学。

ABSTRACT

The inspiral of a stellar-mass compact object into a massive ($\sim 10^{4}$-$10^{7} M_{\odot}$) black hole produces an intricate gravitational-wave signal. Due to the extreme-mass ratios involved, these systems complete $\sim 10^{4}$-$10^{5}$ orbits, most of them in the strong-field region of the massive black hole, emitting in the frequency range $\sim10^{-4}-1~$Hz. This makes them prime sources for the space-based observatory LISA (Laser Interferometer Space Antenna). LISA observations will enable high-precision measurements of the physical characteristics of these extreme-mass-ratio inspirals (EMRIs): redshifted masses, massive black hole spin and orbital eccentricity can be determined with fractional errors $\sim 10^{-4}$-$10^{-6}$, the luminosity distance with better than $\sim 10\%$ precision, and the sky localization to within a few square degrees. EMRIs will provide valuable information about stellar dynamics in galactic nuclei, as well as precise data about massive black hole populations, including the distribution of masses and spins. They will enable percent-level measurements of the multipolar structure of massive black holes, precisely testing the strong-gravity properties of their spacetimes. EMRIs may also provide cosmographical data regarding the expansion of the Universe if inferred source locations can be correlated with galaxy catalogs.

研究动机与目标

• 激发 EMRIs 在 LISA 引力波天文学中的科学价值。
• 概述 EMRIs 如何实现对大质量黑洞质量、自旋及其环境的高精度测量。
• 解释 EMRIs 如何检验 Kerr 时空并探测基础物理学。
• 讨论 MBH 群体、恒星动力学和星系演化的天体物理学意义。
• 突出 EMRIs 作为宇宙学标准信使（standard sirens）的作用。

提出的方法

• 描述在 LISA 带内的 EMRI 引力波信号特征及典型事件率。
• 总结自力场波形建模方法及其当前状态（同阶/二阶）。
• 比较解析近似和数值近似的伪波形模型及其在参数估计中的应用。
• 讨论瞬变共振及其对建模和引力测试的含义。
• 主张需要精确且无偏差的波形模型以实现 EMRI 的科学潜力。

实验结果

研究问题

• RQ1 EMRIs 如何通过 LISA 精确测量 MBH 的质量和自旋？
• RQ2 EMRIs 能揭示哪些 MBH 群体特性与周围恒星动力学？
• RQ3 EMRI 信号是否能够检验 Kerr 时空并约束替代理论引力？
• RQ4 LISA 可以探测到多少个 EMRI，它们的红移分布如何？
• RQ5 EMRIs 能否作为标准信使来提供宇宙学信息？

主要发现

• EMRIs 允许以质量和自旋的分数精度在 ~10^-6 到 ~10^-4 的范围内测量 MBH 的质量和自旋。
• 经红移校正的 MBH 质量可达到 ~10^-6 到 ~10^-4 的分数精度，而距离约有 3%–30% 的精度，天空定位到几平方度。
• SCO 质量的广义测量可达到 ~10^-4–10^-7 的精度，从而对星系核中的 SCO 进行普查。
• EMRIs 提供 MBH 多极矩的百分比级测量，能够检验 GR 和 Kerr 时空所预测的强场结构。
• 探测率尚不确定，但可能达到每年数百个，取决于 MBH 群体及环境。