Краткая многочастотная (multiband) стратегия для события с чирп‑массой $\mathcal{M}\sim 100M_{\odot }$.
1) Какие детекторы задействовать — когда и зачем
- LISA (космический, мГц диапазон): раннее предупреждение — месяцы–годы до слияния. Для равновесных компонентов $\mathcal{M}=100M_{\odot }$ при $m_1\approx m_2$ даёт $m\approx 2^{1/5}\mathcal{M}\approx 115M_{\odot }$, суммарную массу $M_{\mathrm{tot}}\approx 230M_{\odot }$. Частота ISCO примерно
$$f_{\mathrm{ISCO}}\approx \frac{c^3}{6^{3/2}\pi G{M}_{\mathrm{tot}}}\sim \frac{4400\mathrm{Hz}}{230}\sim 19\mathrm{Hz},$$ т.е. слияние лежит в диапазоне наземных детекторов, а ранняя инспирация попадает в полосу LISA ($\sim 10^{-3}-10^{-2}$ Hz) за годы до коалесценции. LISA даёт предсказание времени слияния, грубую локализацию (от десятков до нескольких градусов², улучшающуюся с ростом SNR) и измерения массы/эксцентриситета/начальных спинов на длительной фазе.
- LIGO/Virgo/KAGRA (2G): покрытие последних секунд/десятков секунд при частотах $\gtrsim 20$ Hz; возможен детект с невысоким SNR, но полезен для совместной работы сети и быстрого оповещения.
- Einstein Telescope (ET) / Cosmic Explorer (3G): критично для высокой SNR при слиянии и последующем рингдауне — низкочастотная чувствительность ET ($\sim 1-3$ Hz) даёт качественную пре‑мергера локализацию, точные измерения масс, спинов и QNM мод; сеть 3G резко улучшает локализацию (до $\lesssim$0.1 deg² в благоприятных случаях).
- Согласованная стратегия: LISA — раннее предупреждение (месяцы–годы). По мере приближения — уточнение времени/локализации и коэффициентов (LISA data release + прогноз). В последние дни‑часы — координация ET+2G сети для максимально точного трекинга слияния и немедленного оповещения EM сообществу.
2) ЭМ‑средства и режимы наблюдений (ориентированы на возможные контры для BH в газовой среде)
- Широкое поле (предсказуемое время, несколько deg² → tens of deg²):
- Оптичес/НВ: Rubin/LSST (глубокие, репликация), ZTF/BlackGEM/ATLAS для быстрых трансентов.
- Рентген: eROSITA (серийные сканы), Swift/XRT для точечных триггеров, Athena (будущее) для глубоких наблюдений.
- Гамма/гросс: Fermi-GBM, Swift-BAT, INTEGRAL — поиск коротких гамма‑вспышек вокруг слияния.
- Радио: ASKAP, MeerKAT, VLA, SKA — поиск поздних после вспышек/жёстких вариаций AGN.
- Мм/подмм: ALMA — поиск дисковых/термических сигналов.
- Режимы: (i) заранее «стендинг» мониторинг кандидатов из LISA‑локализации; (ii) целевые глубокие наблюдения в окрестностях самых вероятных хостов при получении ET‑локализации; (iii) быстрые целевые послеслияния (hours–days) для поиска кратковременных EM‑сигналов.
- Приоритеты: широкое поле для ранних поисков; глубокие наблюдения конкретных AGN/галактик при совпадении с хост‑кандидатами.
3) Какие микрофизические и космологические параметры можно измерить при мультибэнде
- Детально через GW:
- Чирп‑масса и редуцированная информация: $\mathcal{M}$ с точностью $\Delta \mathcal{M}/\mathcal{M}\sim 10^{-4}-10^{-3}$ (LISA+ET совместно улучшает точность по сравнению с одной полосой).
- Массы компонентов $m_1,m_2$ и отношение масс $q=m_2/m_1$ с точностью $\sim 10^{-3}-10^{-2}$ при высоком SNR.
- Спины ${\chi }_{1,2}$ (включая предсессионные эффекты) — мультибэнд повышает чувствительность к составляющим вдоль/поперёк орбиты.
- Эксцентриситет $e$ на референсной частоте (LISA чувствителен к малым $e\gtrsim 10^{-3}$) — важный признак динамического образования.
- Рингдаун: частоты/затухания QNM — тесты «no‑hair» и измерение массы/спина остаточного BH; возможность выделения нескольких мод даёт проверку GR.
- Проверки распространения волн: комбинированная фаза LISA vs ET чувствительна к дисперсии (например, масса гравитона) и частотно‑зависимым модификациям гравитации.
- Сочетание GW+EM (если найден хост или EM‑контр.):
- Получение красного сдвига $z$ (спектроскопический хост) позволяет раскрыть истинные (не красженые) массы $M=M_z/(1+z)$ и разлогарифмичить влияние $1+z$.
- Люм. дистанция $D_L$ из GW + $z$ даёт «яркую сирену» для измерения Hubble‑параметров: H0, а при достаточном числе событий — ограничения на ${\Omega }_m$, $w$.
- Улучшение оценки угловой ориентации $\iota$ (LISA добавляет фазовую информацию), что уменьшает корреляцию $D_L$-$\iota$ и даёт более точные «стандартные сирены» — дистанция до $\sim$нескольких процентов в лучших случаях.
- Популяционные/астрофизические выводы:
- Распределение масс (включая проверку парно‑инстабильной «пропасти»), спинов и эксцентриситета — различение полей формирования (изолированный бинар vs динамика в скоплениях vs AGN‑канал).
- Среда: наличие EM‑сигнала → плотная газовая среда/AGN диск; отсутствие EM при малой локализации — преимущество динамической канала.
- Оценки порядка:
- Улучшение нижних пределов на массу гравитона и на параметры нарушения локальности GR на несколько порядков по сравнению с одной полосой зависит от SNR и времени базы данных, типично фактор $\gtrsim 10$ при LISA+ET для некоторых моделей.
4) Какие новые вопросы и проблемы решит мультибэндный подход
- Формирование массивных BH: уточнение доли тяжёлых (сотни $M_{\odot }$) BH, проверка существования и природы поперечных «gap» (pair‑instability).
- Каналы формирования: эксцентриситет + спины + EM‑связывание позволят отделить динамические столкновения, множества в скоплениях и AGN‑канал.
- Окружающая среда: доказательство/опровержение EM‑активности BBH в AGN, характеристики аккреции/ударов в газа в момент слияния.
- Точечные тесты GR в сильнополевой и частотно-зависимой областях: многочастотная фаза позволит выделять малые отклонения в фазе и рингдауне (проверка no‑hair, дополнительные степени свободы, дисперсия).
- Космология без систематик «distance–inclination»: более точные измерения H0 и, при накоплении событий, ограничение эволюции тёмной энергии.
- Новые ограничения на фундаментальную физику: масса гравитона, возможные частотно‑зависимые взаимодействия гравитационных волн с средой, тесты квантовых/модифицированных моделей на рингдауне.
5) Практические рекомендации по реализации
- Подготовить совместимые пайплайны: ранние LISA‑триггеры → прогноз времени/поля; объединять LISA+ET параметры через совместные байесовские оценки (учитывать фазу от LISA как строгий приоритетный prior для ET).
- Использовать волновые формы с высшими модами, спин‑предсессионной динамикой и эксцентриситетом (IMRPhenom/SEOBNR+NR) для избежания систематик.
- Координация с EM‑сервисами: заранее зарегистрированные целевые поля и «target‑of‑opportunity» контракты с широкополосными телескопами (оптика, рентген, радио, гамма).
- Планировать наблюдения на недели–дни до и после предсказанного времени слияния (LISA даёт месяцы–годы, уточняя прогноз).
Краткий итог: LISA (раннее предсказание) + ET/3G (высокий SNR на слиянии) + сеть 2G (дополнение локализации) и широкий набор EM‑инструментов (оптика, рентген, гамма, радио, мм) — оптимальная стратегия. Мультибэнд позволит существенно улучшить точность масс/спинов/эксцентриситета, провести строгие тесты GR, идентифицировать канал формирования и, при наличии хоста, использовать событие как точную «яркую сирену» для космологии.