【摘 要】
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自从LIGO和Virgo科学合作组探测到第一个引力波事件GW150914以来,陆陆续续又有数十个引力波事件被地面探测器探测到。引力波的成功发现使我们在强场及非线性区域对引力理论的检验成为可能,而引力波源参数的精确测量对引力的本质研究至关重要,其中引力波源的精确定位也是引力波探测的重要科学目标。引力波源精确的位置信息不仅能为电磁对应体提前预警,还能为我们在没有电磁对应体的情况下定位出宿主星系的位置,
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自从LIGO和Virgo科学合作组探测到第一个引力波事件GW150914以来,陆陆续续又有数十个引力波事件被地面探测器探测到。引力波的成功发现使我们在强场及非线性区域对引力理论的检验成为可能,而引力波源参数的精确测量对引力的本质研究至关重要,其中引力波源的精确定位也是引力波探测的重要科学目标。引力波源精确的位置信息不仅能为电磁对应体提前预警,还能为我们在没有电磁对应体的情况下定位出宿主星系的位置,所以我们可以利用引力波作为标准汽笛来研究哈勃常数和宇宙的膨胀历史。另外,引力波源的精确定位还能帮助消除参数简并,从而测量引力波偏振态。按照广义相对论,引力波只有两个张量偏振态,即“+”偏振和“×”偏振。在更一般的度规引力理论中,可能存在多至六种偏振态,所以引力波偏振态不仅可以验证引力理论是否为广义相对论,而且可用来检验和排除引力理论。空间引力波探测器的轨道及构型的不同会影响探测器对引力波的灵敏度。为了快速分析出不同引力波探测器对引力波的灵敏度及运用空间引力波探测器测量偏振态,我们给出了空间引力波探测器对六种不同引力波偏振的平均响应函数的解析表达式。由于空间引力波探测器无法长期保持臂长相等,由此带来的激光频率噪声需要通过时间延迟干涉方法来消除,我们也给出了不同时间延迟干涉组合对不同偏振模式的平均响应函数。知道了探测器对引力波的响应后,接下来可以讨论探测器的参数估计及定位能力。由于不同的空间引力波探测器如空间激光干涉仪天线(Laser Interferometer Space Antenna,LISA)、太极和天琴对引力波源的参数估计能力不一样,为了分析空间引力波探测器中影响引力波参数估计的因素,我们采用控制变量的方法分别研究了引力波探测器中不同构型因素对引力波参数估计的影响。我们发现了影响引力波参数估计的几大因素:探测器的臂长,探测器的噪声功率谱密度,探测器平面的法向转动与否,以及探测器平面的转动周期。我们通过比较多个虚拟探测器的定位能力,分析出了这些因素对定位影响的条件以及影响能力。我们还推导出了在长波近似下解析的费歇耳信息矩阵(Fisher information matrix,FIM),并利用这些解析公式分析参数误差在低频和高频的渐近行为,从而得到了由探测器平面法向转动带来的幅度调制效应和探测器中心运动带来的多普勒效应对引力波参数分析的影响,这为优化探测器设计及科学目标提供了理论基础。除了探测波源参数外,空间引力波探测器由于对不同偏振态的响应不同,它还可以测量引力波偏振态,从而限制引力理论。由于空间引力波探测器能够对连续的引力波源进行长时间的探测,这样一来探测器在轨道不同位置可以看成是不同探测器,从而构成探测器网络,根据这一特性可以用空间引力波探测器来进行引力波偏振态的测量。不同的引力理论预言出不同偏振模式的引力波,例如Brans-Dicke理论中引力波存在三种偏振模式,它们分别是“+”模式、“×”模式和标量呼吸模式。在精确定位引力波源的基础上,我们根据空间引力波探测器的特点设计出了一种零流数据处理方法来测量引力波的偏振态。这种方法很好地避免了引力波模板依赖的问题,从而可以方便快速地检验引力理论。除了利用引力波偏振态来区分引力理论,也可以通过计算不同引力理论中双星系统辐射出来的引力波,并利用模板匹配的方法来对相应引力理论进行限制。我们计算出Brans-Dicke理论中双星系统辐射的引力波相对于广义相对论的修正。通过把已有的引力波模板推广到Brans-Dicke理论,将Brans-Dicke理论中的模板与现有的引力波数据GW200105以及GW200115进行匹配,我们利用贝叶斯数据分析限制了 Brans-Dicke理论的参数范围,这对将来的引力波探测具有重要的参考价值。
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