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理論物理所在空間引力波源的定位研究上取得進展
2020-02-13  【 】【打印】【關閉

  快速且準確地定位引力波源是地面和空間引力波觀測的重要任務之一。波源的準確定位對于后續的電磁光譜觀測以及確定波源的宿主星系至關重要。在準確地知道了宿主星系的紅移之后,引力波的波源能作為標準汽笛來獨立地研究宇宙的膨脹歷史。

  最近,理論物理研究所博士研究生阮文洪、博士研究生劉暢、研究員郭宗寬、研究員蔡榮根和研究員吳岳良提出了LISA-Taiji空間引力波探測網絡,可以實現引力波源的快速和準確定位。 

  

  

  由于激光干涉探測器對來自幾乎所有方向的引力波都是敏感的,所以難以通過單個地面引力波探測器確定引力波源的空間位置。利用建于不同位置的兩臺探測器,原則上可以通過引力波信號到達兩臺探測器的時間差進行三角測量,將波源的位置限制在空間中的一個圓環上。使用超過兩臺探測器組成的網絡進行聯合探測,波源的空間位置能借助不同探測器上引力波信號的到達時間差以及相位差和振幅比來確定。譬如,只使用兩臺LIGO探測器,GW170814的波源空間方位角置信度為90%的置信區間是1160平方度,與Virgo聯網之后這個置信區間縮小到了60平方度。將來加入KAGRA和LIGO-India之后將會進一步提高探測器對敏感頻段內的引力波信號波源的定位能力。   

  與地面引力波探測器不同的是,LISA和太極的主要目標是位于星系中心的質量在104太陽質量到107太陽質量之間的大質量雙黑洞合并所產生的引力波。盡管束縛的大質量雙黑洞系統很難通過電磁觀測來識別,但當雙黑洞足夠靠近,此時系統的軌道周期小于數小時,這些系統就會變成強引力波源。在繞轉之后是兩個大質量雙黑洞的合并,這個過程產生的引力波能靠空間引力波探測器觀測到,并且具有很高的信噪比。對這些系統進行電磁和引力波的聯合觀測,能夠對我們研究大質量雙黑洞合并成單個黑洞過程的吸積盤有所幫助。 

  這種大質量雙黑洞系統繞轉以及合并過程產生的引力波信號能在LISA和太極的敏感頻段內持續數天到數年時間。由于探測器在空間中的運動,時間依賴的響應函數將在引力波源的定位中起到重要作用。因此,單個空間引力波探測器能夠看作是由位于其運動軌道上不同位置處的多臺探測器組成的一個聯合探測網絡,這些探測器在不同的時間觀測到一個特定的引力波事件。LISA預期能讓引力波源的角坐標精度達到1到100平方度,精確程度跟雙星的質量、與探測器間的距離等參數有關。但是,考慮到通過LISA探測到的波源的預期紅移分布,這樣的角坐標精度不足以確定波源所在的星系。如果LISA和太極進行聯合探測,那么它們組成的網絡可以采用類似于地面探測器對信號進行三角測量的策略顯著提高引力波源的空間定位精度。 

  

  

LISA和太極聯合探測達到的引力波源角坐標精度與它們在日心軌道上的夾角有關,當這個角度到180度時,波源的角坐標范圍最小。對于總質量為105太陽質量的等質量雙黑洞系統,考慮紅移為1和3兩種情形,當夾角從3度增加到40度時波源角坐標精度提高了2個數量級,但當夾角從40度增加到180度時精度只提高了約0.6個數量級。因此,LISA和太極聯合探測達到40度的夾角就能夠有效地幫助我們快速而準確地定位引力波源了。
 
該研究成果近日發表在Nature Astronomy 4 (2020) 108上。該項研究得到了國家自然科學基金重大項目、中科院戰略先導科技專項(B)、中科院戰略先導科技專項(A)和前沿科學重點研究項目的支持。
 

  ● 附錄1:LISA簡介 

  空間引力波天文臺激光干涉空間天線(Laser Interferometer Space Antenna,簡稱為LISA)提出于20世紀90年代,它被計劃用來探測頻率在10^-4--10^-1赫茲之間的引力波信號。LISA由三個相同的航天器組成,它們繞太陽旋轉并在空間中構成一個等邊三角形,航天器之間的距離為250萬公里。每個航天器都會不斷向另外兩個航天器發射激光,并接收來自另外兩個航天器的激光,在一次單向測量中激光的位移噪聲約為10皮米/√赫茲。LISA三角形結構的中心將在地球的公轉軌道上以一年為周期運動,位置在地球之后約20度。LISA計劃在2030至2035期間發射升空,任務壽命為4年,可延長至10年。最近,在LISA探路者實驗中一些技術已經成功通過測試。   

  ● 附錄2:太極簡介 

  太極(Taiji)是中國科學院提出的引力波空間裝置,中國科學院大學以及中國科學院的多個研究所正在參與它的建設。太極跟LISA類似,也是由三臺航天器組成并在空間形成等邊三角形。不過,太極的每臺航天器之間的距離是300萬公里,三角形的中心在地球之前約20度。太極使用的望遠鏡直徑為40厘米,位移噪聲預計為8皮米/ √赫茲,加速噪聲在1毫赫茲頻率時預期為3飛米/平方秒/√赫茲。由于太極的航天器之間的距離比LISA更遠,太極對低頻引力波更加敏感。太極項目分三步進行:第一步,發射單顆衛星來驗證太極技術路線圖的可行性。太極探路者于2019年9月20日成功發射,目前正在運行,它的正式名稱是太極一號。第二步,2024年發射兩顆衛星來驗證關鍵技術,包括在太空中進行長基線干涉測量。最后,跟LISA在同一時期發射三顆衛星,實現空間引力波測量。

  

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