基于空间引力波探测器的引力检验相关研究

The binary black hole merger GW150914 is heralded as inaugurating a revolutionary era of gravitational wave astronomy. The binary neutron star merger GW170817 and its electromagnetic counterpart have caused a great international sensation and opened a new era of multi-messager gravitational wave astronomy. This project is closely integrated with the frontiers of international scientific research, and carries out the targeted research on one of the scientific goals of the future space-borne gravitational wave detectors Taiji plan and Tianqin plan. We aim at the target gravitational wave source (compact binaries) of the space-borne gravitational wave detectors, study the two modified gravity theories (general scalar-tensor gravity and parity-violating gravity), and calculate the waveforms in the elliptical orbit of the spin binaries . We use the post-Newtonian approximation and the small eccentricity approximation to analyze and calculate the waveforms, and compare the differences in gravitational wave amplitude, phase and polarization in different gravity theories. Finally, we combine the sensitive frequency bands and sensitivity curves of the future space-borne gravitational wave detectors Taiji and Tianqin, and analyze and study the ability of space-borne detectors to test and distinguish different gravity theories by the methods of the theoretical calculation and numerical simulation. It is expected to provide ideas for basic physics research of gravity.

双黑洞并合事件GW150914的发现标志着引力波天文学的诞生，特别是双中子星并合事件GW170817及其电磁对应体的发现在国际上引起了巨大轰动，开启了多信使引力波天文学的新时代。本项目紧密结合国际研究前沿，围绕我国未来空间引力波探测器太极和天琴的科学目标之一“引力检验”展开针对性的研究。我们针对空间引力波探测器的目标引力波源之一稳定绕转的致密双星，研究在两类引力理论（一般标量-张量引力和一般宇称破坏引力）中致密双星的自旋效应和轨道离心率效应对双星旋进阶段引力波波形的影响。我们将采用后牛顿近似和小离心率近似的方法解析计算引力波波形，比较不同理论中引力波在振幅、相位、极化等方面的差异。然后，结合我国未来太极和天琴空间引力波探测器的响应函数和灵敏度曲线，通过理论计算和数值模拟的方法，综合分析和研究我国空间引力波探测器检验、区分和限制引力理论的能力，以期望为引力本质的基础物理研究提供思路。

双黑洞并合事件GW150914的发现标志着引力波天文学的诞生。本项目紧密结合引力波的国际研究前沿，围绕我国未来空间引力波探测器太极和天琴的科学目标之一 “引力检验”展开针对性的研究。我们首次计算了一类具有屏蔽机制的标量-张量引力框架下的致密双星系统包含标量极化模式的引力波辐射能流和引力波波形。这项工作得到了国际同行的认可，被本领域权威专家多次引用和高度评价。基于此波形，我们通过模拟检验了天琴空间引力波探测器限制修改引力的能力，给出了引力波偶极辐射最强限制（预言）, 这比目前LIGO和脉冲星给出的限制强很多。另外，我们使用了两例黑洞-中子星并合事件的引力波数据对这一类标量-张量理论进行了检验和参数限制，结果显示其并没有当前太阳系实验给出的限制强。我们的工作是基于我国未来空间引力波探测器进行的早期预备研究，我们的研究结果对今后我国空间引力波探测器的相关科研工作开展具有重要指导意义。