[论文解读] The US Program in Ground-Based Gravitational Wave Science: Contribution from the LIGO Laboratory

D. H. Reitze, Rich Abbott+182 more|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2019

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 29

一句话总结

本文提出开发第三代（3G）地基引力波探测器，如宇宙探索者（Cosmic Explorer），以实现比先进LIGO（Advanced LIGO）高出10倍的应变灵敏度，从而探测红移大于10的黑洞与中子星并合事件，并实现信噪比超过1000。这将开启多信使天文学的新纪元，实现每年数以万计的探测。

ABSTRACT

Recent gravitational-wave observations from the LIGO and Virgo observatories have brought a sense of great excitement to scientists and citizens the world over. Since September 2015,10 binary black hole coalescences and one binary neutron star coalescence have been observed. They have provided remarkable, revolutionary insight into the "gravitational Universe" and have greatly extended the field of multi-messenger astronomy. At present, Advanced LIGO can see binary black hole coalescences out to redshift 0.6 and binary neutron star coalescences to redshift 0.05. This probes only a very small fraction of the volume of the observable Universe. However, current technologies can be extended to construct "$3^\\mathrm{rd}$ Generation" (3G) gravitational-wave observatories that would extend our reach to the very edge of the observable Universe. The event rates over such a large volume would be in the hundreds of thousands per year (i.e.tens per hour). Such 3G detectors would have a 10-fold improvement in strain sensitivity over the current generation of instruments, yielding signal-to-noise ratios of 1000 for events like those already seen. Several concepts are being studied for which engineering studies and reliable cost estimates will be developed in the next 5 years.

研究动机与目标

• 通过开发灵敏度显著优于当前先进LIGO和Virgo仪器的第三代探测器，推动地基引力波天文学的发展。
• 实现对红移大于10的致密双星并合事件的探测，从而观测早期宇宙及第一代恒星的形成。
• 对近距离事件实现信噪比超过1000，从而在广义相对论检验和天体物理参数测量方面实现前所未有的精度。
• 通过贡献于包括宇宙探索者（Cosmic Explorer）和爱因斯坦望远镜（Einstein Telescope）在内的国际3G探测器网络，支持全球科学界，实现最优的天区定位与多信使后续观测。
• 识别并成熟构建3G探测器所需的关键技术，如低温硅质试验质量、先进镀膜及频率依赖压缩技术。

提出的方法

• 设计并开展40公里基线的激光干涉仪（宇宙探索者）工程研究，以实现应变灵敏度较先进LIGO提升10倍。
• 采用分阶段建设：CE第一阶段（2030年代末）采用A+升级技术，CE第二阶段（2040年代中期）采用123 K低温运行的硅质试验质量与非晶硅镀膜。
• 通过更长的光路臂长（40公里 vs. 4公里）和更高的光功率提升灵敏度，降低量子噪声。
• 引入频率依赖压缩技术，降低关键频率的噪声，提升低频段灵敏度。
• 开发先进悬挂系统、隔振系统及角度对准控制技术，以稳定更重、更大的试验质量。
• 长期开展热噪声抑制研究，探索1.5–2 µm波长激光、新型镜面材料及低温运行方案。

实验结果

研究问题

• RQ1 将引力波探测范围延伸至红移大于10，其科学影响是什么，特别是对研究第一代恒星与黑洞形成的影响？
• RQ2 第三代探测器如何实现较先进LIGO提升10倍的应变灵敏度？其技术路径是什么？
• RQ3 在40公里干涉仪中使用低温硅质试验质量与低噪声镀膜时，面临的关键工程与材料挑战是什么？
• RQ4 全球3G探测器网络（如宇宙探索者与爱因斯坦望远镜）将如何提升天区定位精度，并推动高精度多信使天文学的发展？
• RQ5 从当前探测器技术过渡到完全实现的3G天文台，所需的关键研发里程碑与成本估算为何？

主要发现

• 如宇宙探索者（Cosmic Explorer）等3G探测器将使双黑洞并合的探测范围延伸至红移z > 10，从而能够研究早期宇宙及第一代黑洞的形成。
• 凭借10倍的应变灵敏度提升，3G探测器对近距离事件的信噪比将超过1000，极大提升参数估计精度，并显著增强对广义相对论的检验能力。
• 致密双星并合的事件率预计可达每年数十万次——每小时数十次——远超第一轮和第二轮先进LIGO观测中仅11次的探测量。
• 宇宙探索者的构型包括40公里的光路臂长，采用123 K低温运行，使用硅质试验质量与非晶硅镀膜，以降低热噪声。
• 建设时间表包括CE第一阶段（2030年代末）与CE第二阶段（2040年代中期），关键研发需求涵盖激光系统、镀膜技术与悬挂系统。
• 未来五年内需开展工程研究与成本估算以最终确定设计方案，重点推进长期研发，成熟如频率依赖压缩与低热噪声材料等关键技术。