[論文レビュー] The contribution of inspiraling massive black hole binaries to the LISA data stream

Alberto Sesana, F. Haardt+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 10, 2004

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 1

ひとこと要約

この論文は、ΛCDM宇宙論における、質量 10³–10⁸ M☉ の巨大ブラックホール連星（MBHB）の宇宙的集団からの重力波（GW）信号をモデル化し、星間動力学と重力波放出を用いてその動的進化をシミュレートする。LISAは3年間で90件のイベントを解像すると予想され、そのうち35件は合体まで検出可能であり、主に2 < z < 6 の M ≈ 10⁵ M☉ 連星から来ると考えられる。残りの55件は、高赤方偏移で低質量の系であり、最終合体がLISAの周波数帯を越えており、混信ノイズへの寄与は最小限である。

ABSTRACT

Massive black hole binaries, with masses in the range 1E3-1E8 Msun, are one of the primary target for the planned Laser Interferometer Space Antenna (LISA). We extend and refine our previous analysis (Sesana et al. 2004), detailing the gravitational wave signal expected from a cosmological population of massive black hole binaries. As done in our previous paper, we follow the merger history of dark matter halos, the dynamics of the massive black holes they host, and their growth via gas accretion and binary coalescences in a LCDM cosmology. Stellar dynamical processes dominates the orbital evolution of black hole binaries at large separations, while gravitational wave emission takes over at small radii, causing the final coalescence of the pairs. We show that the GW signal from this population, in a 3 year LISA observation, will be resolved into 90 discrete events with S/N&gt;5, among which 35 will be observed above threshold until coalescence. These "merging events" involve relatively massive binaries, M=1E5 Msun, in the redshift range 2&lt;z&lt;6. The remaining 55 events come from higher redshift, less massive binaries (M=5E3 Msun at z&gt;6) and, although their S/N integrated over the duration of the observation can be substantial, the final coalescence phase is at too high frequency to be directly observable by LISA. The total number of detected events accounts for a fraction &gt;90% of all coalescences of massive black hole binaries at z&lt;5. The residual confusion noise from unresolved massive black hole binaries is expected to be at least an order of magnitude below the estimated stochastic LISA noise.

研究の動機と目的

• ΛCDM宇宙論における、質量 10³–10⁸ M☉ の巨大ブラックホール連星集団からの重力波信号をモデル化すること。
• レーザー干渉計宇宙アンテナ（LISA）による3年間の観測期間におけるこれらの連星の検出可能性を評価すること。
• 未解像連星がLISAデータストリームにおける混信ノイズに与える寄与を定量化すること。
• 検出可能な合体イベントの赤方偏移および質量分布とその信号対ノイズ比を特定すること。
• z < 5 におけるすべての合体のうち、LISAで検出可能な割合を評価すること。

提案手法

• ダークマターハローの合体歴史をシミュレートして、巨大ブラックホール連星の形成と進化を追跡すること。
• 大スケールの距離では星間動力学的プロセス、小スケールの距離では重力波放出を用いて連星の軌道進化をモデル化すること。
• ΛCDMフレームワーク内でのガス降着と連星合体を通じたブラックホール成長を追跡すること。
• 各連星系の重力波歪み振幅と周波数の時間的変化を計算し、LISAによる検出可能性を推定すること。
• 集団全体の全信号パワーを統合して、混信ノイズレベルを推定すること。
• 検出可能なイベントを特定し、LISAの周波数帯内で合体するか否かを区別するために、信号対ノイズ閾値（S/N > 5）を適用すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3年間のミッション期間中にLISAが解像できる巨大ブラックホール連星合体の数はどれほどで、z < 5 におけるすべての合体のうちどの程度の割合を占めるか？
• RQ2 検出可能なイベントを支配する質量および赤方偏移範囲は何か？ また、これらのイベントの信号対ノイズ比分布はどのようになるか？
• RQ3 未解像連星がLISAデータストリームにおける混信ノイズに与える寄与はどの程度か？
• RQ4 なぜ一部の高赤方偏移・低質量連星は、統合S/Nでは検出可能だが、最終合体段階では検出できないのか？
• RQ5 星間動力学と重力波駆動進化の両方を組み込むことで、予測される検出率にどのような影響が生じるか？

主な発見

• LISAは3年間の観測期間中にS/N > 5 の巨大ブラックホール連星イベントを90件解像すると予想される。
• そのうち35件は合体まで観測可能であり、主に2 < z < 6 の M ≈ 10⁵ M☉ 連星から来ると考えられる。
• 残りの55件は、z > 6 で低質量（M ≈ 5 × 10³ M☉）の連星から来るものであり、最終合体周波数がLISAの周波数帯を越えているため検出不能である。
• これらの検出可能なイベントは、z < 5 における巨大ブラックホール連星のすべての合体の90%以上を占める。
• 未解像連星による残余混信ノイズは、確率的LISAノイズレベルのおよそ10分の1以下に抑えられる。
• 集団全体の重力波信号は高赤方偏移・低質量系に支配されているが、周波数帯制限のため、そのうちの一部しか直接観測できない。