[論文レビュー] Connecting low-redshift LISA massive black hole mergers to the nHz stochastic gravitational wave background

David Izquierdo–Villalba, Alberto Sesana+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 19, 2024

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 9被引用数 1

ひとこと要約

本研究は、パulsar Timing Arrays (PTA) によって最近検出されたnHzの確率的重力波背景 (sGWB) が、LISAで検出可能な質量ブラックホール二重星 (MBHB) の集団をどの程度制約するかを調査する。L-Galaxiesの半解析的モデルをミレニアム-IIシミュレーションに適用することで、超Eddington吸収を介したMBH成長が強いモデルは、低赤方偏移 (z < 3) の領域で質量 >10⁶ M⊙ のLISA用MBHBの検出率を1.6倍に高めることを示している。これは、グローバルなLISA合体率（約12 yr⁻¹）を著しく変化させることなく、マルチメジャーディスプレイの可能性を高めることを意味する。

ABSTRACT

Pulsar Timing Array (PTA) experiments worldwide recently reported evidence of a nHz stochastic gravitational wave background (sGWB) compatible with the existence of slowly inspiralling massive black hole (MBH) binaries (MBHBs). The shape of the signal contains valuable information about the evolution of $z<1$ MBHs above $ m 10^8 M_{\odot}$, suggesting a faster dynamical evolution of MBHBs towards the gravitational-wave-driven inspiral or a larger MBH growth than usually assumed. In this work, we investigate if the nHz sGWB could also provide constraints on the population of merging lower-mass MBHBs ($ m {<} 10^7 \, M_{\odot}$) detectable by LISA. To this end, we use the $ exttt{L-Galaxies}$ semi-analytical model applied to the $ exttt{Millennium}$ suite of simulations. We generate a population of MBHs compatible simultaneously with current electromagnetic and nHz sGWB constraints by including the possibility that, in favourable environments, MBHs can accrete gas beyond the Eddington limit. The predictions of the model show that the global (integrated up to high-$z$) LISA detection rate is {\it not} significantly affected when compared to a fiducial model whose nHz sGWB signal is ${\sim}\,2$ times smaller. In both cases, the global rate yields ${\sim}\,12 m yr^{-1}$ and is dominated by systems of $ m 10^{5-6} M_{\odot}$. The main differences are limited to low-$z$ ($z<3$), high-mass (${>} m 10^6\, M_{\odot}$) LISA MBHBs. The model compatible with the latest PTA results predicts up to ${\sim}\,1.6$ times more detections, with a rate of ${\sim}1 m yr^{-1}$. We find that these LISA MBHB systems have 50\% probability of shining with bolometric luminosities $>10^{43} m erg/s$. Hence, in case PTA results are confirmed and given the current MBH modelling, our findings suggest there will be higher chances to perform multimessenger studies with LISA MBHB than previously expected.

研究の動機と目的

• 最近報告されたPTA実験によるnHzの確率的重力波背景 (sGWB) が、LISAで検出可能な質量ブラックホール二重星 (MBHB) の集団をどの程度制約するかを評価すること。
• 電磁波および重力波の制約を組み込んだ半解析的手法を用いて、宇宙時間にわたるMBHBの進化をモデル化すること。
• 有利な環境下での超Eddington吸収によるMBH成長の強化が、LISAでの検出率および合体するMBHBの電磁波検出可能性に与える影響を調査すること。
• PTA sGWB信号が、LISAで観測可能なMBHBを伴うマルチメジャーディスプレイ天文学の可能性を高めることを評価すること。

提案手法

• 高解像度のミレニアム-IIシミュレーションにL-Galaxiesの半解析的モデルを適用し、宇宙時間にわたる銀河およびMBHの構築を追跡した。
• 観測されたPTA sGWBの振幅を再現できるように、質量が大きくガスで豊富な環境での超Eddington吸収を許容するようにモデルを修正した。
• 現在の電磁波制約（例：クェーサーの明るさ関数）と観測されたnHz sGWB振幅（約1.7–3.2×10⁻¹⁵）の両方を同時に満たすようにモデルをキャリブレーションした。
• MBHB集団をシミュレートし、10⁴–10⁷ M⊙ の質量範囲のシステムについて、SNR > 10 の基準に基づきLISAでの検出率を計算した。
• LISAで検出されたMBHBの電磁的対応体の確率を、全波長放射の明るさを推定することで定量化した。
• 2つのモデルを比較した：sGWB振幅がフィducial（約1×10⁻¹⁵）の「クール」モデルと、PTA観測に一致する（sGWBが1.5倍高い）「ラウド」モデル。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PTA実験による観測されたnHz sGWBは、LISAで検出可能な質量ブラックホール二重星 (MBHB) の検出率を制約するか？
• RQ2 超Eddington吸収によるMBH成長の強化を伴うモデルは、LISAで観測可能なMBHBの質量および赤方偏移分布にどのような影響を及えるか？
• RQ3 質量 >10⁶ M⊙ のLISAで検出可能なMBHBが、検出可能な電磁波放射（Lbol > 10⁴³ erg/s）を示す確率はどの程度か？
• RQ4 PTA sGWB信号は、現在の電磁波制約を破壊することなく、予測されるLISA合体率と整合するか？

主な発見

• グローバルなLISA検出率は、「ラウド」モデルで約12.3 yr⁻¹、「クール」モデルで約12.2 yr⁻¹とほぼ同一であり、PTA sGWBが合体率の総体的制約を及ぼさないことを示している。
• 「ラウド」モデルでは、低赤方偏移 (z < 3) の領域で質量 >10⁶ M⊙ の合体するMBHBの数が1.5倍に増加し、年間約0.8から約1.2に上昇する。
• 「ラウド」モデルにおける質量 10⁵–10⁷ M⊙ のLISAで観測可能なMBHBは、全波長放射の明るさが10⁴³ erg/sを超える確率が50%に上昇し、Lbol >10⁴⁴ erg/s では10%に達する。
• z < 3 の領域における高明るさ系の検出率は、「ラウド」モデルで2.4 yr⁻¹と予測され、マルチメジャーディスプレイの可能性が著しく向上する。
• 検出可能な高質量MBHBの増加は、大質量系における効率的で断続的な超Eddington吸収に起因するが、小規模な銀河ではガス流入が不十分なため、低質量MBHB（<10⁶ M⊙）はほとんど影響を受けない。
• 1.5倍強いnHz sGWBを生成するが、強化されたMBH成長モデルはグローバルLISA合体率にわずかな影響しか及たないため、PTAの結果がLISA総合体率を制約できないことが示唆される。