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理论物理所在空间引力波源的定位研究上取得进展
2020-02-13  【 】【打印】【关闭

  快速且准确地定位引力波源是地面和空间引力波观测的重要任务之一。波源的准确定位对于后续的电磁光谱观测以及确定波源的宿主星系至关重要。在准确地知道了宿主星系的红移之后,引力波的波源能作为标准汽笛来独立地研究宇宙的膨胀历史。

  最近,理论物理研究所博士研究生阮文洪、博士研究生刘畅、研究员郭宗宽、研究员蔡荣根和研究员吴岳良提出了LISA-Taiji空间引力波探测网络,可以实现引力波源的快速和准确定位。 

  

  

  由于激光干涉探测器对来自几乎所有方向的引力波都是敏感的,所以难以通过单个地面引力波探测器确定引力波源的空间位置。利用建于不同位置的两台探测器,原则上可以通过引力波信号到达两台探测器的时间差进行三角测量,将波源的位置限制在空间中的一个圆环上。使用超过两台探测器组成的网络进行联合探测,波源的空间位置能借助不同探测器上引力波信号的到达时间差以及相位差和振幅比来确定。譬如,只使用两台LIGO探测器,GW170814的波源空间方位角置信度为90%的置信区间是1160平方度,与Virgo联网之后这个置信区间缩小到了60平方度。将来加入KAGRA和LIGO-India之后将会进一步提高探测器对敏感频段内的引力波信号波源的定位能力。   

  与地面引力波探测器不同的是,LISA和太极的主要目标是位于星系中心的质量在104太阳质量到107太阳质量之间的大质量双黑洞合并所产生的引力波。尽管束缚的大质量双黑洞系统很难通过电磁观测来识别,但当双黑洞足够靠近,此时系统的轨道周期小于数小时,这些系统就会变成强引力波源。在绕转之后是两个大质量双黑洞的合并,这个过程产生的引力波能靠空间引力波探测器观测到,并且具有很高的信噪比。对这些系统进行电磁和引力波的联合观测,能够对我们研究大质量双黑洞合并成单个黑洞过程的吸积盘有所帮助。 

  这种大质量双黑洞系统绕转以及合并过程产生的引力波信号能在LISA和太极的敏感频段内持续数天到数年时间。由于探测器在空间中的运动,时间依赖的响应函数将在引力波源的定位中起到重要作用。因此,单个空间引力波探测器能够看作是由位于其运动轨道上不同位置处的多台探测器组成的一个联合探测网络,这些探测器在不同的时间观测到一个特定的引力波事件。LISA预期能让引力波源的角坐标精度达到1到100平方度,精确程度跟双星的质量、与探测器间的距离等参数有关。但是,考虑到通过LISA探测到的波源的预期红移分布,这样的角坐标精度不足以确定波源所在的星系。如果LISA和太极进行联合探测,那么它们组成的网络可以采用类似于地面探测器对信号进行三角测量的策略显著提高引力波源的空间定位精度。 

  

  

LISA和太极联合探测达到的引力波源角坐标精度与它们在日心轨道上的夹角有关,当这个角度到180度时,波源的角坐标范围最小。对于总质量为105太阳质量的等质量双黑洞系统,考虑红移为1和3两种情形,当夹角从3度增加到40度时波源角坐标精度提高了2个数量级,但当夹角从40度增加到180度时精度只提高了约0.6个数量级。因此,LISA和太极联合探测达到40度的夹角就能够有效地帮助我们快速而准确地定位引力波源了。
 
该研究成果近日发表在Nature Astronomy 4 (2020) 108上。该项研究得到了国家自然科学基金重大项目、中科院战略先导科技专项(B)、中科院战略先导科技专项(A)和前沿科学重点研究项目的支持。
 

  ● 附录1:LISA简介 

  空间引力波天文台激光干涉空间天线(Laser Interferometer Space Antenna,简称为LISA)提出于20世纪90年代,它被计划用来探测频率在10^-4--10^-1赫兹之间的引力波信号。LISA由三个相同的航天器组成,它们绕太阳旋转并在空间中构成一个等边三角形,航天器之间的距离为250万公里。每个航天器都会不断向另外两个航天器发射激光,并接收来自另外两个航天器的激光,在一次单向测量中激光的位移噪声约为10皮米/√赫兹。LISA三角形结构的中心将在地球的公转轨道上以一年为周期运动,位置在地球之后约20度。LISA计划在2030至2035期间发射升空,任务寿命为4年,可延长至10年。最近,在LISA探路者实验中一些技术已经成功通过测试。   

  ● 附录2:太极简介 

  太极(Taiji)是中国科学院提出的引力波空间装置,中国科学院大学以及中国科学院的多个研究所正在参与它的建设。太极跟LISA类似,也是由三台航天器组成并在空间形成等边三角形。不过,太极的每台航天器之间的距离是300万公里,三角形的中心在地球之前约20度。太极使用的望远镜直径为40厘米,位移噪声预计为8皮米/ √赫兹,加速噪声在1毫赫兹频率时预期为3飞米/平方秒/√赫兹。由于太极的航天器之间的距离比LISA更远,太极对低频引力波更加敏感。太极项目分三步进行:第一步,发射单颗卫星来验证太极技术路线图的可行性。太极探路者于2019年9月20日成功发射,目前正在运行,它的正式名称是太极一号。第二步,2024年发射两颗卫星来验证关键技术,包括在太空中进行长基线干涉测量。最后,跟LISA在同一时期发射三颗卫星,实现空间引力波测量。

  

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