东北大学空间引力波天文台太极与LISA组网观测或可实现精确宇宙学测量

　　近日，《中国科学：物理学 力学 天文学》英文版(SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy, SCPMA)2022年第1期以封面文章形式刊载东北大学张鑫教授团队成果，文章题为＂Forecast for cosmological parameter estimation with gravitational-wave standard sirens from the LISA-Taiji network＂，同期出版了中国科学院理论物理研究所郭宗宽研究员撰写的点评文章。研究成果报道了基于LISA-太极网络来开展标准汽笛宇宙学的研究，发现其标准汽笛观测可实现哈勃常数的精确测量，而且联合宇宙微波背景观测即可将暗能量状态方程限制至约4%的精度。
　　图：空间引力波探测器被提出用于探测频率范围主要处于毫赫兹频段的低频引力波。太极和LISA是两个太阳轨道的引力波天文台，它们都是用三颗卫星组成的激光干涉仪，臂长在三百万公里量级。如果把太极和LISA组成探测网络，则可以极大地提高对引力波源的定位能力。对于大质量双黑洞并合事件，空间探测网络的强大定位能力有利于提高信噪比，并找到更多的电磁对应体。封面图显示了太极和LISA组成的探测网络正在探测大质量双黑洞并合产生的引力波。
　　2015年，LIGO科学合作组利用激光干涉仪作为引力波探测器探测到了首例引力波事件，标志着引力波天文学时代的到来。目前，中国已经提出了两个空间引力波探测计划――太极计划和天琴计划。太极计划预计将在2030年前后发射由3颗绕日轨道卫星组成的等边三角形构型的激光干涉仪，臂长300万公里，对毫赫兹频段的引力波进行直接探测。天琴计划将在地球轨道上部署三颗卫星，构成臂长约为17万公里的三角形构型激光干涉仪。此外，欧洲的LISA计划将发射与太极计划构型相似的激光干涉仪，其臂长为250万公里。
　　空间引力波探测计划不仅能够在检验广义相对论、理解星系和黑洞的形成与演化历史等方面发挥重要作用，同时也将为探索暗能量的本质和宇宙加速膨胀的物理以及精确测量宇宙学参数提供重要帮助。
　　图：LISA-太极网络构型的示意图。【图片来源：W. H. Ruan, etal., Nature Astronomy 4, 108 (2020)】
　　近年来，如何利用亮汽笛观测来实现精确宇宙学，成为引力波宇宙学中备受关注的话题。根据预测，LISA和太极的亮汽笛观测均能将哈勃常数（哈勃常数刻画了宇宙当前的膨胀速率，宇宙中的所有绝对尺度都跟它相关）限制到约4%的精度。最近一项国内科学家的重要研究指出，如果LISA和太极组成探测网络，那么对波源的定位精度将获得极大的提高。
　　东北大学张鑫教授团队详细研究了LISA-太极网络对引力波源的定位能力，基于大质量黑洞的演化模型模拟了并合过程中可能产生的电磁信号，通过与射电望远镜SKA和光学望远镜ELT的探测阈值进行比较，模拟产生出亮汽笛的引力波-电磁波联合观测数据。
　　详细的分析表明，LISA-太极引力波探测网络不仅能使亮汽笛的探测数目翻倍，也能探测到更高红移的亮汽笛事件，同时还能提升光度距离的测量精度。宇宙学参数估计的结果表明，LISA-太极网络相较于单独的太极计划，可以显著提升宇宙学参数的测量精度。对于暗能量状态方程的测量，利用LISA-太极网络的亮汽笛观测可以有效打破宇宙微波背景观测的参数简并，从而使暗能量状态方程的限制精度达到约4%，足以媲美当前最主流的观测所能达到的水平。
　　该项研究揭示了空间引力波天文台组网观测在宇宙学研究中的潜在应用价值。未来由太极、天琴、LISA所组成的空间引力波探测网络必将在宇宙学参数精确测量方面发挥重要作用，从而帮助我们破解宇宙学重大难题，理解暗能量的本质属性。
　　图：LISA-太极网络可极大地提高对引力波源（大质量黑洞并合）的天空定位能力，位形角为40度的情况即可有效帮助我们快速而准确地定位引力波源。由于探测信噪比和定位精度的大幅度提高，我们就可以找到更多的电磁对应体。模拟显示，相较于单独的太极天文台，组网观测可使找到的电磁对应体数目几乎翻一番。信噪比的提高还使得我们可以获得更高红移的亮汽笛数据，而且光度距离的测量精度也得到很大的提升。很显然，对于限制宇宙学参数，利用探测网络的数据比单独用太极的数据限制得紧多了。利用LISA-太极网络的亮汽笛观测，可使哈勃常数的测量精度接近1%的水平（在标准宇宙学模型的情况下）。对于暗能量状态方程的测量，利用LISA-太极网络的亮汽笛观测可以有效打破宇宙微波背景观测的参数简并，从而使暗能量状态方程的限制精度达到约4%，足以媲美当前最主流的观测所能达到的水平。
　　作者简介：
　　第一作者王凌风，东北大学理学院博士研究生，研究方向为暗能量宇宙学与引力波天文学，主要关注引力波的探测及其在宇宙学中的应用。
　　通讯作者张鑫，东北大学教授，博士生导师，国家级人才项目入选者。研究领域为宇宙学，在暗能量宇宙学、暴胀宇宙学、中微子物理、引力波天文学、射电天文学、21厘米宇宙学等多个方向长期开展研究工作，在Nature Communications、Science Bulletin、SCPMA、PRD、EPJC、JCAP、ApJ、MNRAS等国际学术期刊发表论文150余篇，被引用 6500多次，H因子45。曾获得国务院政府特殊津贴，入选国家级人才项目、国家级青年人才项目、教育部新世纪优秀人才、辽宁省＂兴辽英才计划＂领军人才、爱思唯尔高被引学者、全球顶尖前10万科学家。曾获辽宁省自然科学二等奖，指导本科生获得＂挑战杯＂竞赛全国一等奖。担任中国物理学会引力与相对论天体物理分会副主任委员，辽宁省政府学位委员会学科评议组成员，学术期刊《中国科学：物理学 力学 天文学》、SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy、Chinese Physics C和Universe编委。
　　链接：《中国科学:物理学 力学 天文学》(中文版)和SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy (SCPMA,英文版)是中国科学院主管、中国科学院和国家自然科学基金委员会共同主办的综合性学术刊物,均为月刊。英文版SCPMA被SCI、EI、ADS等数据库收录, 2020年影响因子为5.122, Q1区,中国科学院文献情报中心期刊分区表物理大类1区Top、物理综合类1区。中文版被ESCI、Scopus、《中文核心期刊要目总览》《中国科学引文数据库》等收录,以出版热点专题和专辑为主。中英文为两本完全独立的刊物。