基于双黑洞的多波段引力波天文学

The detection of gravitational wave (GW) signals like GW150914 proves that stellar mass binary black holes (BBHs) to be among the richest sources of ground-based GW detectors. Such a source would produce GW signals of typically 0.01Hz ten years before merger, which is exactly the most sensitive frequency band for space-borne GW mission. Such property makes it the most important object for multi-band GW astronomy. In this project, we aim to investigate space-borne GW mission's detection ability to BBH systems, and to study the ability of constraining General Relativity from multi-band GW observation of this source. We propose to adopt more realistic and more comprehensive assumptions, and to investigate multi-band GW detections' constraint on BBHs, such as rate, S/N and parameter estimation uncertainty. Furthermore we study the multi-band observations coherently, applying Fisher Information Matrix method to investigate how modified gravity could alter GW waveform, and how detectors can spot such modifications. Ultimately, we hope to quantitatively study the multi-band GW observation's ability of testing General Relativity.

GW150914等引力波信号的探测，证明了恒星级双黑洞并合是地面引力波探测器中最为丰富的信号源之一。这类波源在并合前十年左右会辐射出典型频率为0.01Hz的引力波信号，恰好是空间引力波探测器最灵敏的波段，因此，它们同时也是不可多得的多波段引力波天文学的重要研究对象。本项目针对这一类信号源，希望从空间引力波探测器对此类信号的探测能力，以及多波段引力波探测对广义相对论检验的角度展开讨论。本项目计划采用更真实、更全面的探测器假设，通过考虑更实际的实验限制，研究多波段引力波探测对恒星级双黑洞的探测能力，包括事件率、信噪比，对各物理参数的限制能力等。在此基础上，全面结合多波段引力波探测器的观测，利用费雪信息矩阵的方法，讨论在修正引力的框架下引力波波形的改变及其在探测器中的探测能力，从而定量地讨论恒星级双黑洞的多波段引力波探测对广义相对论的检验能力。

在本项目的支持下，申请人及其他团队成员围绕恒星级双黑洞，紧密结合不同波段的引力波探测器，开展引力波天文学的理论分析研究，获得了一系列的成果。本项目总体上研究计划执行情况良好。对照项目申请书中的研究计划，在各个方向上有条不紊开展研究，包括：1.）对不同构型的空间引力波探测器（如地心轨道、日心轨道），利用费雪信息矩阵，分析了不同空间引力波探测器对恒星级双黑洞并合的物理参数限制能力。2.）利用地面引力波探测对恒星级双黑洞给出的族群性质，构建了多种不同模型下的引力波源模拟星表作为模拟数据来源，分析了结合天琴和LISA的多波段引力波探测下对探测率、参数估计精度等的影响。3.）结合天琴，开展了双黑洞的引力波探测下对广义相对论的限制，特别是分析了结合天琴和LISA的多波段引力波探测下，对黑洞无毛定理的定量分析，和结合具体引力理论（STVG理论）下，对引力理论的检验。上述研究在多个国内外重要学术期刊上发表，共计发表论文13篇，其中第一作者或通讯作者论文5篇，总影响因子超过60。此外，项目成员还多次参与国内外重要学术会议，并作报告，并以暑期学校教学、基础课程培训、科研前沿进展报告等不同形式，邀请国内外领域内专家开展了丰富多样的学术交流和访问工作，团队成员也在项目执行期间多次前往国内外高校、研究机构，开展交流访问活动。