LISALISA - iucaa

Contents
Mission Summary Table
Foreword
iii
v
Executive Summary 1
The nature of gravitational waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
Sources of gravitational waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
Complementarity with ground-based observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
The LISA mission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1 Scientific Objectives 7
1.1 Theory of gravitational radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.1.1 General relativity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.1.2 The nature of gravitational waves in general relativity . . . . . . . . . . 12
1.1.3 Generation of gravitational waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.1.4 Other theories of gravity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.2 Low-frequency sources of gravitational radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.2.1 Galactic binary systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.2.2 Massive black holes in distant galaxies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.2.3 Primordial gravitational waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2 Different Ways of Detecting Gravitational Waves 35
2.1 Detection on the ground and in space . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.2 Ground-based detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.2.1 Resonant-mass detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.2.2 Laser Interferometers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.3 Pulsar timing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.4 Spacecraft tracking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.5 Space interferometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.6 Early concepts for a laser interferometer in space . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.7 Heliocentric versus geocentric options . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3 The LISA Concept – An Overview 45
3.1 The LISA flight configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.2 The LISA orbits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.3 The three LISA spacecraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.4 The payload . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
Corrected version 1.04 ix 13-9-2000 11:47