用下一代地面引力波探测器聆听宇宙

在本研究中，我们使用简单的性能指标来评估未来地面引力波探测器网络的科学能力——这些网络由 LIGO、Virgo 和 KAGRA 天文台的 A+ 或 Voyager 升级版以及提出的下一代天文台（如 Cosmic Explorer 和 Einstein Telescope）组成。这些指标涉及双中子星（BNS）和双黑洞（BBH）的并合，包括：（i）作为红移函数的宇宙学源的网络探测效率和探测率，（ii）信噪比以及内禀和外禀参数将被测量的精度，以及（iii）通过精确的 3D 定位和早期预警警报实现引力波多信使天文学。我们进一步讨论了由稀有且极响亮事件的小种群所促成的科学。虽然即将进行的升级将在所有这些指标上提供令人印象深刻的进展，但下一代天文台将在大多数指标上带来一个数量级或更多的改进。事实上，包含两到三个此类设施的网络将分别探测到红移 $z=1$ 和 $z=20$ 以内一半的所有 BNS 和 BBH 并合，提供数百个信噪比超过 100 的 BNS 和一万多个 BBH，轻松将数百到数千个并合定位在天空中 $1\,{\rm deg^2}$ 以内以及光度距离上分别优于 10%，并因此通过电磁频谱中的后续巡天实现每周数次的多信使天文学。此类网络将进一步阐明潜在的宇宙学并合种群，并探测到大量高保真 BNS 和 BBH 信号，这将分别允许以前所未有的水平研究物质的高密度状态，并实现强场体制下广义相对论的精确检验。