引力波天文学
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引力波存在的间接证据在上世纪七八十年代由美国物理学家泰勒（J. Taylor）和休尔斯（R. Hulse）对脉冲双星公转轨道的衰减的射电观测发现 (Hulse& Taylor 1975; Taylor & Weisberg 1982)。该工作荣获 1993 年诺贝尔物 理学奖。引力波频谱一般根据不同探测手段划分成四个频带:极低频 （ extremely low frequency ， 10-8 ～ 10-15Hz ） 、 甚 低 频 (very low frequency,10-9～10-7 Hz )、低频(low frequency， 10-4～1 Hz)和高频(high frequency, 1～104Hz)。对它们探测分别主要用宇宙微波背景辐射，脉冲星 计 时 阵 列 ， 空 间 引 力 波 探 测 器 和 地 面 引 力 波 探 测 器 （ Culter& Thorne 2002）。地面直接探测高频引力波的努力可以追溯到上世纪六十年代，当 时韦伯（J. Weber）制造了世界上第一个引力波探测器——共振棒(Weber 1969)。此后，新一代的激光干涉仪探测器取代了共振棒式的探测器，成为 了引力波探测器的主流。本世纪初，几个大型的激光干涉仪引力波探测器 分别建成并投入使用，主要有：美国的 LIGO (Abbottet al. 2009)，包括位于 利文斯顿（Livingston）的一个臂长为 4 公里和位于汉福德（Hanford）的 两个臂长分别为 4 公里和 2 公里的干涉仪；位于意大利比萨（Pisa）附 近，由意大利和法国联合建造的臂长为 3 公里的 Virgo (Acernese et al. 2008)。尽管并没有直接探测到引力波信号，相关的数据分析已经获得了针 对某些引力波源的重要观测限制，例如引力波数据给出的关于 crab 脉冲星 参数上限已经低于 spin－down 给出的上限(Abbott et al. 2008(b))。
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AAA-001V0.1 20பைடு நூலகம்5/11/25
1. 简介
(一)引力波的探测 根据爱因斯坦 1915 年提出的广义相对论（Einstein1916），引力可以
等效成时空曲率。建立在四维时空的黎曼（Riemann）几何学的基础上， 广义相对论将引力的效应描述成时空曲率与物质的能量动量之间的联系， 即：时空告诉物质如何运动，物质告诉时空如何弯曲。这一理论预言质量 分布的变化将引起时空曲率的改变，这种时空的扰动会以波动的形式自由 传播，即引力波，其传播速度为光速。我们可以形象地称之为时空的“涟 漪”（ripples）。
大学,马克斯－普朗克研究所,国台
AAA-001V0.1 2015/11/25
总结摘要（executive summary）
Advanced LIGO 对来自双黑洞并合事件 GW150914 的探测，标志着人类首 次实现了引力波信号的直接探测，开启了引力波天文学的新时代。随着 Advanced LIGO 的继续运行以及 Advanced Virgo、LIGO-India 等探测器的 陆续加入，将有越来越多的引力波信号被探测到。探测引力波源的电磁对 应体将极大的丰富引力波天文学的科学内容，人类将进入全新的多信使天 文时代，例如：提高引力波源及其宿主星系空间位置精度估计，确定引力 波源的红移、破除引力波模型中的简并参数，确定引力波暂现源前身天体 的物理环境以及其产生的物理机制，测量宇宙学参数等等。由于引力波探 测器的定位能力较差（Advanced LIGO～10－几百平方度），探测引力波 暂现源电磁对应体对大视场高能观测设备提出了迫切需求。爱因斯坦探针 具有大视场、高灵敏度、全天观测、快速指向能力和数据下传等方面的优 势，特别是其大视场和高灵敏度，为引力波暂现源电磁对应体的探测提供 了一个理想的观测平台。爱因斯坦探针的成功运行，将促进引力波天文学 和引力波宇宙学的发展，并且使我国在引力波源的电磁波对应体研究方面 处于国际领先的地位。
AAA-001V0.1 2015/11/25
引力波暂现源的电磁对应 体的探测
爱因斯坦探针科学论证报告
高鹤,范锡龙,吴雪峰,孙惠,张冰,范一中, 李立新,赵文,刘富坤,袁业
飞,IkSiongHeng,胡一鸣，袁为民 北京师范大学,湖北第二师范学院,紫金山 天文台,北京大学,中国科学技术大学,美 国内华达大学拉斯维加斯分校,格拉斯哥
引力波信号的直接探测让我们更加深刻地理解引力理论等基础物理问 题。同时引力波能够提供一个认识宇宙的新窗口。利用高频引力波的观测 我们可以直接“窥探”黑洞的形成、双中子星/黑洞系统的并合，探索快速旋 转的中子星以及了解超新星爆炸的内部过程等等。同时，探测产生于极早 期宇宙的原初引力波将揭开大爆炸初期的宇宙面貌。正如观测天文学从可 见光扩展到全波段，从而极大地拓展人类的视野那样，引力波天文学也将 在二十一世纪掀起一场认识宇宙以及基础物理的革命（Sathyaprakash & Schutz 2009, Fan & Hendry 2015）。
目前，升级后的第二代探测器 aLIGO 已经开始进入科学运行。其重要 的探测目标信号包括双致密天体并合（双中子星、中子星-黑洞、双黑洞并 合）产生的引力波。令人鼓舞的是，2016 年 2 月 12 日，aLIGO 正式宣布
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AAA-001V0.1 2015/11/25
首次直接探测到了人类历史上第一个引力波信号 GW150914：来自 13 亿光 年之外的双黑洞的并合产生的引力波(Abbottet al. 2016)，从此开启了引力 波探测和引力波天文学的新时代。因此可以推测，到 2020 年左右包括 aLIGO、AdV, LIGO-India 的引力波探探测器网络达到设计灵敏度后，将能探 测到平均距离 200Mpc 以内的双中子星并合所产生的引力波信号。目前理 论估计的探测率具有比较大的不确定性，aLIGO 预期每年探测到 0.4 至 400 个双中子星并合所产生的引力波信号,最可能的探测率为每年～ 40 个 （Abadie et al. 2010；Aasi et al. 2013）。
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1. 简介
(一)引力波的探测 根据爱因斯坦 1915 年提出的广义相对论（Einstein1916），引力可以
等效成时空曲率。建立在四维时空的黎曼（Riemann）几何学的基础上， 广义相对论将引力的效应描述成时空曲率与物质的能量动量之间的联系， 即：时空告诉物质如何运动，物质告诉时空如何弯曲。这一理论预言质量 分布的变化将引起时空曲率的改变，这种时空的扰动会以波动的形式自由 传播，即引力波，其传播速度为光速。我们可以形象地称之为时空的“涟 漪”（ripples）。
大学,马克斯－普朗克研究所,国台
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总结摘要（executive summary）
Advanced LIGO 对来自双黑洞并合事件 GW150914 的探测，标志着人类首 次实现了引力波信号的直接探测，开启了引力波天文学的新时代。随着 Advanced LIGO 的继续运行以及 Advanced Virgo、LIGO-India 等探测器的 陆续加入，将有越来越多的引力波信号被探测到。探测引力波源的电磁对 应体将极大的丰富引力波天文学的科学内容，人类将进入全新的多信使天 文时代，例如：提高引力波源及其宿主星系空间位置精度估计，确定引力 波源的红移、破除引力波模型中的简并参数，确定引力波暂现源前身天体 的物理环境以及其产生的物理机制，测量宇宙学参数等等。由于引力波探 测器的定位能力较差（Advanced LIGO～10－几百平方度），探测引力波 暂现源电磁对应体对大视场高能观测设备提出了迫切需求。爱因斯坦探针 具有大视场、高灵敏度、全天观测、快速指向能力和数据下传等方面的优 势，特别是其大视场和高灵敏度，为引力波暂现源电磁对应体的探测提供 了一个理想的观测平台。爱因斯坦探针的成功运行，将促进引力波天文学 和引力波宇宙学的发展，并且使我国在引力波源的电磁波对应体研究方面 处于国际领先的地位。
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引力波暂现源的电磁对应 体的探测
爱因斯坦探针科学论证报告
高鹤,范锡龙,吴雪峰,孙惠,张冰,范一中, 李立新,赵文,刘富坤,袁业
飞,IkSiongHeng,胡一鸣，袁为民 北京师范大学,湖北第二师范学院,紫金山 天文台,北京大学,中国科学技术大学,美 国内华达大学拉斯维加斯分校,格拉斯哥
引力波信号的直接探测让我们更加深刻地理解引力理论等基础物理问 题。同时引力波能够提供一个认识宇宙的新窗口。利用高频引力波的观测 我们可以直接“窥探”黑洞的形成、双中子星/黑洞系统的并合，探索快速旋 转的中子星以及了解超新星爆炸的内部过程等等。同时，探测产生于极早 期宇宙的原初引力波将揭开大爆炸初期的宇宙面貌。正如观测天文学从可 见光扩展到全波段，从而极大地拓展人类的视野那样，引力波天文学也将 在二十一世纪掀起一场认识宇宙以及基础物理的革命（Sathyaprakash & Schutz 2009, Fan & Hendry 2015）。
目前，升级后的第二代探测器 aLIGO 已经开始进入科学运行。其重要 的探测目标信号包括双致密天体并合（双中子星、中子星-黑洞、双黑洞并 合）产生的引力波。令人鼓舞的是，2016 年 2 月 12 日，aLIGO 正式宣布
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AAA-001V0.1 2015/11/25
首次直接探测到了人类历史上第一个引力波信号 GW150914：来自 13 亿光 年之外的双黑洞的并合产生的引力波(Abbottet al. 2016)，从此开启了引力 波探测和引力波天文学的新时代。因此可以推测，到 2020 年左右包括 aLIGO、AdV, LIGO-India 的引力波探探测器网络达到设计灵敏度后，将能探 测到平均距离 200Mpc 以内的双中子星并合所产生的引力波信号。目前理 论估计的探测率具有比较大的不确定性，aLIGO 预期每年探测到 0.4 至 400 个双中子星并合所产生的引力波信号,最可能的探测率为每年～ 40 个 （Abadie et al. 2010；Aasi et al. 2013）。