面向天琴空间引力波探测实验的理论与模拟研究

Gravitational wave is an inter-discipline of physics and astronomy, and it is the hotspot of international research frontier at present. The gravitational wave signal is extremely weak, therefore, detecting gravitational wave and carrying out follow-up gravitational wave astronomy and cosmology need to utilise the physics of precision measurements in different directions (such as laser interferometer for measuring distance, time and frequency, navigation and positioning), which provides the principle, method, and apparatus. On the other hand, the stringent requirements of gravitational waves will guide and promote the development of precision measurement physics. The detection of gravitational waves will be the result of the fusion of scientific goals and precision measurements, it is also the combination of the international major scientific frontier and the major strategic needs at home. This proposal, according to the requirements of the foster project "the new scheme and new technology in gravitational wave detection" of the major research plan project of precision measurement of physical in the "Guide", is oriented to a series of experimental scheme design and scientific objectives verification related theoretical and data processing problems involved in the TianQin space low-frequency gravitational wave detection experiments. The specific contents include the influence of tidal force on the near-earth orbit, the simulation and processing of the detector's data, and the establishment of the gravitational wave waveform template bank. Studying and solving these problems are crucial for the optimisation and solidification of TianQin design, as well as setting and achieving the scientific goal, which are the bases for the next step of TianQin project.

引力波是物理学和天文学的交叉领域，是当前国际研究的前沿热点。引力波信号极其微弱，探测引力波并开展后续的引力波天文学和宇宙学需要利用精密测量物理不同方向（如激光干涉测距，时间频率，导航定位）所提供的原理、方法和仪器。另一方面，引力波探测提出的严苛要求也引领和推动精密测量物理的发展。引力波的探测将是科学目标和精密测量相互融合的结果，是国际重大科学前沿和国家重大战略需求的结合。本项目根据《指南》精密测量物理重大研究计划项目中培育项目“引力波探测的新方案与新技术”的要求，针对天琴空间低频引力波探测实验所涉及到的一系列与实验方案设计和科学目标验证相关的理论和数据处理问题开展研究。具体内容包括近地轨道中潮汐力对探测器的影响，探测器数据模拟和处理，引力波波形模版库的建立。这些问题的研究和解决对于天琴设计的优化和固化，科学目标的设定和达成都是至关重要的，也是天琴计划进一步实施的基础。

空间引力波探测是引力波探测研究的一个前沿发展方向，欧洲空间局已经立项开展LISA项目，预期于2030年左右发射，其他国家，如中国、日本等，都在纷纷发展本国的空间引力波探测项目。面向我国未来空间引力波探测任务的开展要求，本项目的目标是围绕天琴实验分析、天琴模拟、天琴数据处理等几个重大方面开展初步研究，目前已经开展并部分完成了天琴对引力波信号的响应研究、天琴轨道构型优化研究、天琴对大质量黑洞的探测研究、利用天琴检验黑洞无毛定理研究、利用天琴限制特定修改引力理论研究、天琴测量大质量黑洞参数的能力研究、引力波数据处理方法研究等方面的工作，此外，我们也正在开展面向天琴的TDI研究、空间环境对天琴的影响研究、双黑洞并合辐射引力波波形研究等方面的工作。本项目的研究内容涵盖了天琴空间引力波探测任务的分析、模拟和数据处理等几个重要方面，每一个方面本身都是很大的挑战，通过本项目研究，我们为相关各个方面问题的后续解决打下了必要的基础。