为未来地面探测器做好准备？——引力波波形精度需求

未来的第三代（3G）地面引力波（GW）探测器，如爱因斯坦望远镜（Einstein Telescope）和宇宙探索者（Cosmic Explorer），将具有前所未有的灵敏度，能够研究宇宙中全部恒星级双黑洞并合群体。为从引力波信号推断双星参数，我们需要精确的引力波波形模型，作为黑洞质量、自旋等的函数。此类波形模型由数值相对论（NR）模拟和/或旋进阶段的半解析表达式构建。我们研究了当前波形模型的极限，并考察在何种探测器灵敏度下这些模型能对高信噪比的“黄金”双黑洞系统给出无偏的参数推断、超出这些极限后可预期的偏差，以及此类偏差对引力波天体物理学的意义。对于 3G 探测器，我们发现半解析模型的失配误差需至少降低三个数量级，NR 波形需降低一个数量级。此外，我们表明对于一个含一百个高质量进动双黑洞的群体，测量误差累积成可观的群体偏差，约为关键天体物理参数 90% 可信区间总和的 10 至 30 倍。进一步我们证明，探测器记录的引力波数据与参数推断分析得到的最佳拟合模板波形之间的残差信号可具有显著信噪比（SNR）。残差中留下的这种相干功率可能导致误观测到偏离广义相对论的现象。为解决这些问题并为 2030 年代充分利用 3G 引力波探测器的科学收益做好准备，在未来十年需开发物理上更完备且更精确的波形模型，同时实现 NR 代码效率与精度的重大进展。