脈衝星計時陣列中連續引力波探測和估計的研究

《脈衝星計時陣列中連續引力波探測和估計的研究》是依託華中科技大學，由王炎擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：脈衝星計時陣列中連續引力波探測和估計的研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：王炎
• 依託單位：華中科技大學

項目摘要

脈衝星計時陣列是目前最有前景的探測極低頻（1 nHz-1 uHz）引力波的方法。這個頻段的引力波波源主要是星系併合過程中形成的超大質量黑洞雙星。隨著數據量的快速增加，數值計算量和計算的不穩定性已成為制約數據處理的主要因素。本項目將以統計信號處理中的廣義似然比檢驗為方法，研究脈衝星計時陣列中連續引力波信號的探測和參數估計問題，其主要內容包括（1）基於廣義似然比檢驗建立引力波探測網路相干方法，分析在不同信噪比下的信號探測率和參數估計精度；（2）此種方法中存在的適定性問題的分析及其解決方法；（3）數據中存在多個連續單源信號時，各個信號的探測和分辨問題。本項目的研究可以提高連續引力波信號的探測率和相關參數的估計精度，增強算法的效率和穩定性。申請人有權得到NANOGrav組織的實際觀測數據，並將本項目中研發的數據處理工具套用於其對引力波信號的分析之中。

結題摘要

引力波探測和引力波天文學是當前物理和天文學研究領域的國際前沿熱點。脈衝星計時陣列（PTA）是目前最有前景的探測來自超大質量雙黑洞系統的極低頻引力波的觀測實驗。本項目針對脈衝星計時陣列數據中連續引力波信號探測的數據分析方法進行了較為系統的研究，提出了以廣義似然比檢驗為理論基礎的數據分析算法MaxPhase。這一方法的計算量在PTA的脈衝星個數增加時只會線性增加，它同時採用更加完整和合理的引力波信號模型與假設。我們進而將MaxPhase算法套用到基於SKA的由一千顆毫秒脈衝星組成的PTA，發現其在探測連續引力波信號的靈敏度上將比現有的PTA提高約三個數量級，幾乎可以保證能夠探測到宇宙中超大質量雙黑洞系統所發出的引力波信號。對於redshifted chirp mass為10^9太陽質量的雙黑洞系統，SKA時代的PTA的探測距離可以達到宇宙紅移z～1，而10^10太陽質量的系統甚至可以達到20。此外，我們第一次在PTA引力波探測領域揭示了物理參數估計誤差與引力波信號模型中回響矩陣的條件數之間的關係，這一關係直接影響了通過大樣本脈衝星的計時數據得到引力波波源物理參數的精度。通過蒙特卡羅模擬，我們發現SKA時代的PTA對超大質量雙黑洞系統的空間定位的精度約為100 平方度，這為利用下一代地面光學望遠鏡（如LSST）對超大質量雙黑洞的聯合多波段天文觀測研究提供了重要的依據。 在本項目的支持下，申請人參與到北美脈衝星計時陣列（NANOGrav）和國際脈衝星計時陣列（IPTA）科學數據分析中，取得了一些合作成果；同時也積極參與了國內空間引力波探測項目中與科學目標和數據處理方面的研究工作。