面向天琴的多个双白矮星引力波信号的数据分析

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地面引力波探测器LIGO对GW150914的成功探测迎来引力波天文学的新纪元。由于地面探测器受到臂长和重力梯度噪声等因素对探测灵敏频段的限制,未来的空间引力波探测器将成为毫赫兹频段引力波的重要探测手段。天琴是我国提出的空间引力波探测计划,预计2035年前后在轨运行。与地面探测器相比,空间引力波探测器的星间激光需要经历十几万到几百万公里的长距离传播,这导致多普勒数据中由传播光路不等臂长造成的激光频率噪声比引力波造成的频移信号在振幅上高出7~8个量级。通过时间延迟干涉(TDI)的数据预处理方法能够有效抑制激光频率噪声,该方法的基本思想是对数据进行时间延迟后再组合,构造等臂长的干涉数据。从最开始只考虑静态臂长不变的探测器构型,到考虑由于探测器旋转造成的Sagnac效应,再考虑臂长变化导致的光路对称性变差,TDI方法经历TDI 1.0,TDI 1.5和TDI 2.0三个版本的升级。本文针对天琴地心高轨的设计,通过解析的轨道表达式,在TDI方法的基础上研究了地心轨道离心率对残留的激光频率噪声影响。结果表明当地心轨道离心率取e1=0.01时,TDI 1.5代组合不能满足将激光频率噪声压制到次级噪声以下的要求,而TDI 2.0代组合都能满足该要求,这给未来的轨道参数设计提供了参考。本文也考虑了 TDI各组合残留的激光频率噪声对全天响应灵敏度曲线的修正。结果显示,相比于其他组合,X2.0组合的灵敏度最高。银河系内存在着大量双白矮星,它们是空间引力波探测器的重要波源之一,对这类源的探测能够加深我们对恒星演化、致密双星形成等方面的认识。基于天琴探测器,本文首先详细给出在四极矩辐射近似下分离型双白矮星的引力波信号表达式。然后结合TDI最优组合(A,E,T组合)模拟了银河系内通过电磁波观测已发现的41对分离型双白矮星候选体的引力波数据。最后基于最大似然估计和PSO优化算法建立多波源搜索流程。为了减少计算时间和提高参数搜索结果的精确度,在多波源搜索流程中建立了快速搜索模板,采用了分频带处理数据,降采样和F统计的方法。通过该数据处理流程成功搜索出信噪比大于5的全部波源(4个),还原的引力波信号与注入的引力波信号匹配度都在99.9%以上,波源的定位误差在(0.0005,0.21)平方度之间,这些结果证明了该数据处理流程的可行性。
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