双致密天体引力波辐射对脉冲星计时影响的研究

The recent discovery of gravitational wave event GW150914 by aLIGO first directly provides strong evidence for the existence of gravitational waves. This event is also the first observation of a binary black hole merger. At other GW frequencies, people endeavor to develop new instruments and methods to explore the gravitational universe. We here propose to investigate the variation of pulse times of arrival of pulsars affected by the gravitational waves radiation of double compact binaries. We will put forth effort on the generation, spatial distribution, and evolution of the gravitational waves generated by double compact binaries, and how these gravitational waves induce the variation of pulse times of arrival of pulsars. With comparison between our physical model and observations by matched filter method, we expect to put limits on the amplitude of the gravitational waves. Our research will provide a new physical model for the pulsar timing observations by FAST and SKA.

近期aLIGO首次直接探测到引力波事件GW150914，该事件被认为是由相互绕转双黑洞产生。各种其他研究也正在继续寻找不同频段的引力波信号。在此背景下，本项目基于大样本恒星演化、相对论和场论数值模拟双致密天体产生的引力波前景和背景信号，建立一个双致密天体引力波辐射模型，获得该引力波信号对脉冲星计时的影响，和当前的观测进行交叉相关分析。该研究结果将为FAST、SKA的脉冲星计时观测，和国际上发起的脉冲星计时方法探测引力波提供一个新的物理模型，也为以后的引力波探测项目提供理论依据。

在本项目中，我们研究了由双致密天体产生的引力波信号，重点研究了银河系内中子星-白矮星（NS-WD）双星产生的引力波信号，包括由NS-WD星族产生的叠加引力波信号和有洛希瓣物质交流的NS-WD双星（也称为相接NS-WD）产生的信号。我们的相接NS-WD模型可以很好地解释超致密X射线源的轨道演化。我们发现目前已知轨道周期最短的X射线源4U1820-30可以被Taiji/Tianqin/LISA等空间引力波探测器观测到，具有很高的信噪比。此外，我们可以通过空间引力波探测器追踪大质量NS-WD的演化。考虑双星辐射的球形引力波波前连续地穿过整个空间，引起时空的变化，我们模拟了大质量双致密天体引力波辐射扰动下脉冲星脉冲到达时间的残差。从双星轨道运动和质量四极张量的变化出发，数值计算了引力波随空间和时间的变化。通过对脉冲沿其传播路径的路径积分，数值计算了脉冲到达时间的残差。研究了该时间残差对模型参数的依赖性。我们的结果表明，SKA脉冲星计时观测能促进我们对大质量双致密天体星族动力学演化的理解。