低频引力波天文学的前景

多信使天文学

Multimessenger astronomy

在本文中，我们提供了一个简短的概述的范围和强大的未来潜力的多信使方法的引力波天文学，寻求最佳结合引力波和电磁观测。我们强调了多信使方法用于探测引力波源的重要性，并描述了联合引力波和电磁观测可以提高源参数估计的一些方法，并更好地告知我们对源本身的理解-从而增强其作为天体物理学和宇宙学探测器的潜力。

多频引力波天文学时代的引力波源

Gravitational wave sources in the era of multi-frequency gravitational wave astronomy

本章的重点是描述宇宙中引力波的潜在来源，这些来源可以通过现在和未来的观测获得，频率范围从kHz到mHz，再到nano-Hz。多频率的引力波宇宙提供了一个深入宇宙的视角，否则无法进入。它的主要参与者有：核心坍缩的大质量恒星、中子星、不同性质和恒星起源的合并致密天体双星、合并大质量黑洞双星、极端质量比的螺旋体，可能还有非常早期的宇宙本身。本文着重介绍了引力波源的科学目标，描述了它所能提供的引力波信号及其所能提供的信息，指出了引力波源的观测将对我们理解恒星和黑洞的形成和演化过程、星系的成团和演化、中子星内部强作用力的性质，和自然界最神秘的相互作用：引力LIGO科学合作组织和Virgo合作组织发现了来自宇宙GW 150914的第一个引力波源，以及LISA探路者太空任务的高超技术成就，预示着宇宙探索新阶段的开始。

通向引力波天文学之路

The road to gravitational-wave astronomy

引力波天文学是一个前景广阔的领域，但尚未实现。我们期待着第一次（毫无疑问）。直接探测这些难以捉摸的波如果我们希望这一领域充分发挥其潜力，就有必要进行评估并考虑需要应对的挑战。这篇文章简要介绍了一些关键思想和当前的发展状况，并列出了一系列未来需要考虑的建模问题。

完美豪猪：低频引力波天文学的理想网络

Perfect porcupines: ideal networks for low frequency gravitational wave astronomy

完美豪猪是特殊配置的引力波探测器网络，在极限条件下，单个探测器和它们之间的距离相对于感兴趣的引力波长很短。它们具有美丽的特性，使它们成为理想的引力波望远镜。我会明确地介绍最重要的案例。对于单臂探测器网络（如“AGIS”\cite{Dimopoulos_et_al}），最小完美豪猪有6个探测器，沿着正二十面体的6个直径定向。对于双臂探测器网络（如等臂迈克耳孙干涉仪LIGO/VIRGO），最小的完美豪猪是某个5探测器配置。

原始黑洞--引力波天文学展望

Primordial Black Holes - Perspectives in Gravitational Wave Astronomy -

这是一篇关于原始黑洞（PBH）的评论文章，特别关注到目前为止还没有被霍金辐射蒸发的大质量黑洞（$\gtrsim 10^{15}{\rm g}$）。通过LIGO对引力波的探测，我们获得了一个全新的观测工具来寻找与电磁波互补的PBH。基于引力波天文学将在未来几十年内取得重大进展的观点，本文的目的是对PBH的广泛主题进行全面的综述。在讨论了PBH的形成以及导致PBH产生的几种暴胀模型之后，我们总结了各种现有和未来的观测限制。然后，我们介绍了PBH双星的形成，从PBH双星的引力波，利用引力波的PBH的各种观测测试的主题。

引力波天文学与宇宙学

Gravitational wave astronomy and cosmology

引力波对物质作用的首次直接观测最近由BICEP 2实验报道。正在安装先进的地面引力波探测器。它们很快就会投入使用，然后开始搜索高灵敏度的高频引力波，人们普遍预计，这种高灵敏度的引力波可以探测到恒星质量黑洞和中子星等致密天体。脉冲星定时阵列继续改善纳赫兹频率下引力波的边界，并可能在与地面探测器大致相同的时间尺度上探测到信号。天基干涉仪瞄准毫赫兹源的科学理由非常充分。引力波发现的十年即将开始。在2013年TAUP会议上的演讲中，我们将简要回顾引力波和引力波探测器的物理学，然后讨论这些测量在不久的将来进行宇宙学测量的前景。

对“关于用原初引力波天文学探测消失维”一文的答复

Reply to the "Comment on: Detecting Vanishing Dimensions Via Primordial Gravitational Wave Astronomy"

评论：通过原始引力波天文学检测消失的维度”[arXiv：1104.1223]具有误导性，其前提是对《物理学评论快报》主要内容的误解。106，101101（2011）[arXiv：1102.3434]。评论中的主要主张--在某些不同于广义相对论（GR）的奇异理论中，甚至在低维空间中也可能存在局部自由度--是微不足道的。尽管如此，《评论》的作者们还是没有提出一个自洽的例子。然而，这一主张对我们的论文没有任何影响，我们在论文中明确表示，我们正在arXiv：1003.5914中定义的“消失”或“进化”维度的框架内工作。

引力波天文学与射电星系巡天

Gravitational wave astronomy with radio galaxy surveys

在未来十年，新的天体物理仪器将提供第一个大规模的引力波和无线电源的地图。因此，现在是时候研究将它们结合起来的可能性，以提供新的和互补的方法来研究宇宙。使用适合于计划调查的模拟星表，有可能预测射电源和GW地图之间的互相关测量和随机引力波背景对星系地图的影响。引力波对宇宙大尺度结构的影响可以用来研究黑洞合并的起源、爱因斯坦广义相对论的有效性、暗能量模型以及引力波的随机背景。获得的结果表明，银河系GW互相关可以提供有用的信息，在不久的将来，而张量扰动对LSS的影响的检测将需要仪器的能力超出目前计划的下一代无线电阵列。尽管如此，任何来自星系巡天与GW地图相结合的信息都将有助于为新生的引力波天文学提供额外的信息。

利用原初引力波天文学探测消失的维度

Detecting Vanishing Dimensions Via Primordial Gravitational Wave Astronomy

正如最近指出的那样，在较高能量下的低维具有多种理论优势。此外，似乎已经存在实验证据-在一些早期的宇宙射线实验中观察到能量高于TeV的事件的统计学显著平面排列。我们提出了一个强大的和独立的测试，这种新的范式。由于（2+1）维时空没有引力自由度，因此在那个时期不可能产生重力波。这就产生了一个普遍的最大频率，在这个频率上，原始波可以传播，以维度之间的过渡为标志。我们表明，这种截止频率可能是未来的引力波探测器，如LISA。

地基引力波探测器波段的致密双星合并

Compact Binary Coalescences in the Band of Ground-based Gravitational-Wave Detectors

随着地面引力波望远镜LIGO，Virgo和GEO 600接近第一次探测的时代，我们回顾了合并中子星和黑洞双星的合并率和质量和自旋分布的现有知识。我们强调引力波天文学和传统天体物理学之间的双向联系。天体物理学的投入将使人们有可能就最佳探测器配置和搜索技术作出明智的决定。与此同时，速率上限、探测到的合并速率以及引力波搜索测量的质量和自旋分布将通过与天体物理模型的比较来约束天体物理参数。未来的发展必要的引力波天文学的成功进行了讨论。

引力波天文学时代引力理论的未来

The future of gravitational theories in the era of the gravitational wave astronomy

在最近的几次引力波探测（GW150914，GW151226，GW170104，GW170814，GW170817和GW170608）之后，我们讨论了在引力波（GW）天文学框架下引力理论的未来。特别是，计算的频率和角度相关的响应函数，GW检测器会看到，如果从f（R）理论或标量张量引力（STG）的大规模模式存在，允许从天空上的任何方向入射的源，示出。此外，通过单独的理论结果，不涉及最近的GW检测，我们表明，f（R）理论的引力有第三个无质量模式最终被排除，而仍然有空间的STG有第三个（有质量或无质量）模式和f（R）理论的引力有第三个有质量的模式。

利用脉冲星的引力波天文学：大质量黑洞合并与早期宇宙

Gravitational Wave Astronomy Using Pulsars: Massive Black Hole Mergers & the Early Universe

引力波（GWs）是爱因斯坦的广义相对论预言的时空结构中的波动。使用一组毫秒级的射电望远镜作为高精度的时钟，这种辐射的纳赫兹波段很可能在未来十年内被直接探测到。奈赫兹频率的巨波可望由大质量黑洞双星系统的合并所发射，也可能由早期宇宙中形成的宇宙弦或超弦所发射。直接探测GWs将打开一扇新的宇宙之窗，并提供电磁观测无法获得的天体物理信息。在本文中，我们描述了低频GWs的潜在来源，以及通过脉冲星计时探测和利用GWs所需的现状和关键进展。

高角分辨率引力波天文学

High angular resolution gravitational wave astronomy

自天文学诞生之初，天体在天空中的位置就一直是一个被视为理所当然的基本观测量。虽然精确的二维位置信息很容易获得的电磁波谱的观测，当前和不久的将来的引力波探测器的位置精度被限制在几十和几百平方度之间，这使得它非常具有挑战性，以确定主机星系的引力波事件或有信心地检测任何电磁对应物。引力波观测提供了关于源特性和距离的信息，这些信息与任何相关的电磁发射信息是互补的，并且很难以任何其他方式获得。因此，具有多个信使的观测系统的科学潜力远远大于其各部分的总和。具有更高角分辨率的引力波探测器将大大增加找到引力波源宿主并引发多信使后续活动的前景。通过在空间建立一个大型基线干涉仪阵列，可以在“航行2050”方案内实现弧分精度或更高精度的观测站，并将具有变革性的科学潜力。标准塞壬的精确位置信息将能够对宇宙学参数进行精确测量，并提供关于结构形成的新见解;高角分辨率引力波观测站将能够探测随机背景并分辨其中的各向异性;它还将能够研究黑洞周围的吸积过程;它将有巨大的潜力来测试修正的引力和发现超越标准模型的物理学。

引力波天文学中的天体物理模型选择

Astrophysical Model Selection in Gravitational Wave Astronomy

引力波天文学的理论研究主要集中在可以从单个探测中提取的信息，例如双星系统的质量及其在空间中的位置。在这里，我们考虑如何从多个检测的信息可以用来约束天体物理人口模型。这个看似简单的问题是具有挑战性的高维性和高度的相关性的参数空间描述的信号，并通过天体物理模型的复杂性，这也可以依赖于大量的参数，其中一些可能不直接约束的观测。我们提出了一种约束人口模型的方法，使用层次贝叶斯建模方法，同时推断源参数和人口模型，并提供联合概率分布。我们说明了这种方法，考虑到约束，可以放置在人口模型银河白矮星双星使用未来的空间为基础的引力波探测器。我们发现，一个任务，能够解决约5000个最短周期的双星将能够限制人口模型参数，包括啁啾质量分布和特征星系盘半径在百分之几。这与现有的边界相比是有利的，在现有的边界中，对星系中恒星的电磁观测将盘半径限制在20%以内。

用无线电观测穿越宇宙时间的恒星形成。SKA的承诺

Star formation across cosmic time with radio surveys. The promise of the SKA

本讲座简要回顾了射电天文学的主要最新进展，使超深调查成为可能，达到microJansky通量密度水平。随着平方公里阵列（SKA）的出现，许多领域都向前迈出了一大步，包括对宇宙恒星形成历史演变的研究。

引力波天文学中环境效应的退相处方构建与应用

The construction and use of dephasing prescriptions for environmental effects in gravitational wave astronomy

本文系统梳理引力波环境效应退相理论，并发现偏心率可显著增强环境效应的可探测性，为地面探测器探测偏心双星引力波源提供新途径。

多信使引力波天文学中的暗能量

Dark Energy in light of Multi-Messenger Gravitational-Wave astronomy

引力波为研究暗能量和引力的基本性质提供了新的工具。我们回顾了不同的方式，全球变暖可用于测试重力和模型晚时间宇宙加速。广义相对论之外的基于拉格朗日的引力理论被分为那些打破基本假设的理论，包括附加场和大质量引力子。除了基于拉格朗日的理论，我们提出的有效理论的DE和$μ$ - $Σ$参数化作为宇宙引力的一般描述。多信使GW探测可用于测量宇宙膨胀（标准警报），提供对DE状态方程的独立测试并测量哈勃参数。引力的几个关键测试涉及到GW的宇宙学传播，包括异常GW速度，大质量引力子激发，洛伦兹违反色散关系，修改GW光度距离和额外的偏振，这也可能引起GW振荡。我们总结了目前的限制和它们对DE模型的影响，包括那些所产生的二进制中子星合并GW 170817。LIGO-Virgo探测器的设计灵敏度升级以及LISA或爱因斯坦望远镜等下一代设施将在未来二十年内显着改善这些限制。

避免引力波天文学中的选择偏差

Avoiding selection bias in gravitational wave astronomy

当在来自地面引力波探测器的数据中搜索引力波时，通常使用探测阈值来减少不太可能是感兴趣的信号的背景事件的数量。然而，施加这样的阈值也将丢弃一些具有低幅度的真实信号，这可能会使从检测到的信号的总体得出的任何推断产生偏差。我们展示了如何通过使用搜索的全部信息，考虑到所选择的数据和我们对被丢弃的数据的无知，并考虑所有相关的信号和噪声模型，自然避免这种选择偏差。这种方法产生无偏估计的参数，即使在存在假警报和不完整的数据。这可以被看作是以前的方法的扩展到高错误率制度，我们能够表明，参数推断的质量可以通过降低阈值和增加误报率进行优化。

量子引力与引力波天文学

Quantum gravity and gravitational-wave astronomy

我们研究了量子引力的可能特征，这些特征可以用当前和未来的引力波（GW）观测来检验。特别是，我们分析了量子引力如何影响GW的光度距离，有效普朗克质量的时间依赖性和干涉仪的仪器应变噪声。使用模型相关和模型无关的公式，我们表明，这些量可以编码一个非微扰效应典型的所有量子引力理论，即时空的尺寸与探测尺度的变化方式。与这种维度流相关的效应可以用GW观测来检验，并在理论上受到微观离散时空几何的显著约束，比传播速度约束更强。利用公开的LIGO数据以及模拟的高红移LISA源，我们施加第一，分别，实际和模拟的约束量子引力参数影响GW光度距离，并讨论具体的理论例子。如果牛顿势也被修改，但轻测地线没有，那么太阳系的边界可能比GW的更强。然而，对于某些理论，GW天文学可以提供太阳能系统测试无法提供的独特信息。

通过引力波天文学探测宇宙弦：通过黑洞 quasi-normal 模式

Probing Cosmic Strings via Black Hole Quasinormal Modes in Gravitational Wave Astronomy

通过分析黑洞quasinormal模式谱，提出利用引力波探测宇宙弦的新方法，确定扰动强度下限并提供反向估计弦能量或电荷的途径。

通过引力波天文学对$f(T)$引力的新的观测约束

New observational constraints on $f(T)$ gravity through gravitational-wave astronomy

我们研究了原初引力波对宇宙微波背景（CMB）各向异性和BB谱的影响对$f(T)$引力的新的观测约束。我们首先证明了在$f(T)$引力中的GWs传播，与在$Λ$ CDM宇宙学背景下的广义相对论的情况相比，我们只得到了振幅修正而没有相位修正。关于原始GW，我们发现，模型越偏离广义相对论，GW振幅衰减越大，因此未来可能的探测将使可行的$f(T)$重力模型与标准宇宙学约束相比，更接近$Λ$ CDM宇宙学。此外，我们使用的类代码和普朗克探测器的数据，以及从不久的将来的CORE合作的预测，我们表明，可能的非平凡的限制张量标量比将提供一个明确的签名$f(T)$重力。最后，我们讨论的可能性，以使用产生的中子星合并，以提取额外的约束理论的GW的属性。

Quantum gravity and gravitational-wave astronomy

We review the present status of quantum-gravity phenomenology in relation to gravitational waves (GWs). The topic can be approached from two direction, a model-dependent one and a model-independent one. In the first case, we introduce some among the most prominent cosmological models embedded in theories of quantum gravity, while in the second case we point out certain common features one finds in quantum gravity. Three cosmological GW observables can be affected by perturbative as well as non-perturbative quantum-gravity effects: the stochastic GW background, the propagation speed of GWs and …

LISA之外的空间引力波天文学

Space Based Gravitational Wave Astronomy Beyond LISA

激光干涉仪空间天线（LISA）将在0.1至100兆赫（兆赫波段）之间开启三十年的引力波（GW）频谱。在源的类型、源的数量、信噪比和发现潜力方面，该频带预计将是GW频谱中最丰富的部分。当LISA在2034年左右打开引力波频谱的低频窗口时，引力波天文学的激增将强烈迫使随后的任务进一步探索只能从太空访问的GW频谱的频带。2020年代是开始开发技术和研究任务概念的时候，以便在2040年代发射大规模任务。然后将向Astro2030提出任务概念。由于地球的地震噪声，只有空间任务才能访问10 nHz和1 Hz之间的GW频谱。本白皮书调查了这一领域的科学和可以实现这一科学的任务概念。拟议的小规模活动是一项技术开发计划，将支持一系列概念和任务概念研究，为Astro 2030选择特定的任务概念。在本白皮书中，我们将把LISA之外的通用GW任务称为bLISA。

在引力波天文学中采样完整的分层总体后验分布

Sampling the full hierarchical population posterior distribution in gravitational-wave astronomy

本文通过完整采样分层总体后验分布，提高了引力波天文研究中对合并黑洞参数的约束精度。

引力波天文学与宇宙膨胀历史

Gravitational wave astronomy and the expansion history of the Universe

本文综述了通过弥散引力波背景研究宇宙膨胀历史的方法，强调宽频谱连接宏观与微观世界，并探讨遗迹引力子对暴胀后范式的验证及量子传感中的高频信号作用。

Cosmology and Fundamental Physics in the Era of Gravitational-Wave Astronomy

The advent of gravitational-wave (GW) astronomy has presented us with a completely new means for observing the Universe, allowing us to probe its structure and evolution like never before. In this thesis, we explore three distinct but complementary avenues for using GW observations to gain new insights into cosmology and fundamental physics. In chapter 1, we study the astrophysical GW background (AGWB): the cumulative GW signal arising from a large number of compact binary coalescences (CBCs) throughout the Universe. Since these compact binaries reside in galaxies, the AGWB contains anisotropi…

阿里CMB项目通过原始引力波探测宇宙起源

Probing the origin of our universe through primordial gravitational waves by Ali CMB project

这是《中国科学》物理、力学和天文邀请的一个研究亮点。