用空间引力波探测器观测的慢旋进约束牛顿常数的演化

在毫赫兹和分赫兹频率观测的空间引力波（GW）探测器预计将探测到大量准单色信号。对于最有利的信源，可以测量 GW 频率的一阶和二阶时间导数（$\dot f_0$ 和 $\ddot f_0$），并用于寻找负的后牛顿修正，这类修正可由信源环境或广义相对论的修正引起。我们提出一种基于 Fisher 矩阵的解析方法，以估计此类修正可被约束的精度。我们用此方法估计了利用 LISA 和 DECIGO（分别代表毫赫兹和分赫兹 GW 频率的两类空间探测器）可观测的不同类准单色信源对引力常数时间演化 $G(t)$ 所能达到的界限。我们发现，在模拟的 LISA 银河系双星种群中，最具约束力的信源可产生 $\dot G/G_0 \lesssim 10^{-6}\text{yr}^{-1}$，而目前已知最佳的验证双星将达到 $\dot G/G_0 \lesssim 10^{-4}\text{yr}^{-1}$。我们还使用准单色波形进行蒙特卡洛模拟，以检验 Fisher 矩阵方法的有效性，并使用旋进波形分析不满足准单色假设的双星。我们发现，即便对远超其适用范围的信源，解析 Fisher 矩阵也能给出良好的数量级约束。蒙特卡洛研究还表明，DECIGO 类探测器在数十 Mpc 宇宙学距离上探测到的啁啾恒星级致密双星可给出紧至 $\dot G/G_0 \lesssim 10^{-11}\text{yr}^{-1}$ 的约束。