国科大国际理论物理中心（亚太地区）与国家天文台联合团队提出显著提高大质量双黑洞系统定位精度新方法
- 2024/11/1 15:07:54 15761
- 来源：中国科学院大学
【仪表网 研发快讯】引力波，作为爱因斯坦广义相对论的预言，已成为探索宇宙奥秘和发现新物理现象的关键工具。宇宙中众多引力波源自于双黑洞、双中子星等致密天体的演化，以及宇宙早期事件。全球地面引力波探测网络，主要由LIGO、VIRGO、GEO600和KAGRA等探测器构成，通过联合观测，为科研人员提供了宝贵的宇宙信息。与地面探测不同，空间引力波探测属于空间科学实验，要求在卫星发射前完成数据分析方法研究，为探测特定引力波信号和参数反演做准备。
空间引力波探测主要集中在毫赫兹波段，能够揭示银河系内致密双星系统的形成与演化、恒星级双黑洞系统的天体物理演化、极端质量比旋近过程、大质量双黑洞系统的演化等关键信息，对于检验引力理论、研究宇宙演化和探测未知引力波源具有不可替代的科学价值。
近期，中国科学院大学国际理论物理中心(亚太地区)和中国科学院国家天文台的研究团队在空间引力波探测领域取得了突破性进展，相关成果已发表在《中国科学：物理学 力学 天文学》的最新期刊中，为解决空间引力波探测中的一个长期存在的科学问题提供了新的解决方案。在空间引力波探测中，如何从银河系白矮星双星(DWDs)产生的强烈前景噪声中准确探测超大质量双黑洞(MBHBs)的信号，一直是该领域的关键挑战。该研究首次考虑了空间探测器的轨道位置对MBHBs天空位置确定的影响，采用小波分解和最佳轨道位置搜索技术，成功将MBHBs的光度距离测量精度提升了约2倍，角分辨率提升了约20倍，即使在DWDs前景噪声干扰下也能保持高精度。
图1. (a)-(c)为MBHBs源：Q3-delay-1~Q3-delay-5探测器响应时间延迟干涉测量X构型(TDI-X)的振幅随探测器轨道位置参数κ的变化。
(d)-(f)为Q3-delay-4波源定位结果，(d)最优案例(IdealCase)组，(e)最差案例(WorstCase)组，(f)经过小波处理后的最差案例(WorstCase)组。
在实验中，研究团队选择了Q3-d模型中的五个MBHBs源，并在最佳观测轨道位置上进行了观测。通过Metropolis-Hastings马尔可夫链蒙特卡洛(MCMC)方法对五个MBHBs源的位置参数进行了估计。研究结果表明，对于较强的MBHBs源，如Q3-delay-2、Q3-delay-3和Q3-delay-5，在95%置信水平下，最差案例(WorstCase)组的参数精度与最优案例(IdealCase)组相当。然而，对于较弱的MBHBs源，如Q3-delay-1和Q3-delay-4，WorstCase组的参数精度明显低于IdealCase组。通过使用小波分解和重构方法，研究团队能够显著减轻DWDs对较弱MBHBs源的影响。
该研究不仅提高了探测的准确性，还为多信使天文学提供了更多可能性。此外，通过提高对MBHBs的定位精度，为宇宙学常数的约束提供了新的视角，有助于科研人员更精确地测量宇宙的膨胀速率。
关于研究方法的更多细节，包括最佳轨道位置搜索、小波分解重构方法应用、以及对五个MBHBs信号的空间定位的结果分析，均在论文中进行了详细阐述。相关工作不仅推动了空间引力波探测技术的发展，还可能对宇宙学研究产生深远影响。随着技术的不断进步，人们有望通过空间引力波探测揭示更多关于宇宙早期结构和演化的信息，为人类对宇宙的认识贡献新的篇章。
相关研究成果以“Sky location of Massive Black Hole Binaries in the foreground of Galactic white dwarf binaries”为题，于近日发表在SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy上。中国科学院大学国际理论物理中心(亚太地区)博士后郭盼为论文第一作者，中国科学院国家天文台副研究员金洪波为论文通讯作者，中国科学院大学吴岳良院士和乔从丰教授对该工作提供了宝贵的建议。
上述工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和中国科学院战略性先导科技专项的资助。
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