空间引力波探测器的灵敏度函数研究

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引力波是时空中的涟漪,通过对引力波的探测能够验证爱因斯坦的广义相对论,并且有助于打开人类认识宇宙的新窗口。相对于地面引力波探测器,空间引力波探测器的目标频带更低,其具有丰富的引力波波源信息,因此空间引力波探测对研究宇宙的形成和演化具有重要意义。空间引力波探测通常采用激光干涉来实现,其探测能力由灵敏度函数反映。灵敏度函数不仅取决于各种噪声的大小,而且与传递函数密切相关。目前,空间引力波探测器的噪声主要包括激光相位噪声、时钟噪声、检验质量噪声、散粒噪声等,其中检验质量噪声和散粒噪声决定了探测器的灵敏度极限。作为最大的噪声项,激光相位噪声目前主要采用时间延迟干涉技术予以消除。基于时间延迟干涉技术,学术界也广泛研究了可能会影响探测器灵敏度水平的时钟噪声,但并未给出详细的分析。此外,多个研究小组对探测器的传递函数也展开了分析,但均未给出相应的全解析表达式,使得相关研究具有一定的局限性。因此,建立完善的空间引力波探测器灵敏度函数的解析理论模型具有重要的科学意义。本文主要研究空间引力波探测器的灵敏度函数,并以LISA和天琴的探测能力分析为例展示了其相关应用。研究内容包括:(1)基于以消除激光相位噪声为目的的时间延迟干涉技术以及现有的“边带测量技术”,分析并评估了激光干涉型空间引力波探测器的主要噪声,给出了探测器的噪声极限分析。(2)归纳和比较了引力波信号编码到探测器中的两种方法(探测器对任意极化角的响应;探测器对引力波加极化和叉极化的响应),利用这两种方法分别分析了探测器的响应函数,最终证明了它们结果的等效性,为我们采用第二种方法(探测器对引力波加极化和叉极化的响应)计算传递函数的解析表达式提供依据。(3)进一步利用“时间延迟干涉技术”的研究方法,分析了空间引力波探测器的传递函数,并采用巧妙的坐标变换和算法,给出了迈克尔逊X数据组合下全空间平均传递函数的全解析表达式。最后,结合空间引力波探测器的噪声功率谱和传递函数解析表达式,得到其灵敏度函数,并具体分析了LISA和天琴探测器的探测能力。总的来说,我们给出了全空间灵敏度函数的解析表达式,该结果清晰明了地反映实验中各个参数对探测器灵敏度函数的影响,有助于快速比较不同探测器的探测性能,也能为未来引力波探测方案的设计提供理论参考。
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