[논문 리뷰] Computation of stochastic background from extreme mass ratio inspiral populations for LISA

Federico Pozzoli, S. Babak외 3명|arXiv (Cornell University)|2023. 02. 14.

Radio Astronomy Observations and Technology인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 천체물리학적으로 타당한 EMRI 집단 모델과 보완된 분석 클루지(Augmented Analytic Kludge, AAK) 웨이브폼 모델을 사용하여, 전체 LISA 응답을 고려한 불확실한 극단적으로 질량 비율이 큰 붕괴(EMRI)에서 기인하는 스토하스틱 중력파 배경(GWB)을 계산한다. 이는 M11를 제외한 모든 모델에서 검출 가능하며, 4년간의 관측에서 신호 대 잡음비(SNR)가 약 20에서 >1000 수준이며, 1–10 mHz 대역에서 LISA의 잡음 예산에 크게 기여하고, 고적색도의 거대은하핵 이중 블랙홀(MBHB) 씨앗 및 느린 붕괴 과정의 별 기원 블랙홀(SOBH) 이중성의 검출을 악화시킬 수 있다.

ABSTRACT

Extreme mass ratio inspirals (EMRIs) are among the primary targets for the Laser Interferometer Space Antenna (LISA). The extreme mass ratios of these systems result in relatively weak GW signals, that can be individually resolved only for cosmologically nearby sources (up to $z\approx2$). The incoherent piling up of the signal emitted by unresolved EMRIs generate a confusion noise, that can be formally treated as a stochastic GW background (GWB). In this paper, we estimate the level of this background considering a collection of astrophysically motivated EMRI models, spanning the range of uncertainties affecting EMRI formation. To this end, we employed the innovative Augmented Analytic Kludge waveforms and used the full LISA response function. For each model, we compute the GWB SNR and the number of resolvable sources. Compared to simplified computations of the EMRI signals from the literature, we find that for a given model the GWB SNR is lower by a factor of $\approx 2$ whereas the number of resolvable sources drops by a factor 3-to-5. Nonetheless, the vast majority of the models result in potentially detectable GWB which can also significantly contribute to the overall LISA noise budget in the 1-10 mHz frequency range.

연구 동기 및 목표

• 불확실한 극단적으로 질량 비율이 큰 붕괴(EMRI)에서 기인하는 스토하스틱 중력파 배경(GWB)을 LISA 주파수 대역에서 추정하기.
• EMRI GWB가 LISA의 전체 잡음 예산과 다른 중력파 소스의 검출 가능성에 미치는 영향을 평가하기.
• 실제 천체물리학적 EMRI 집단 모델과 완전한 LISA 응답 함수를 사용하여 단순화된 GWB 추정치를 개선하기.
• 여러 형성 모델을 통해 별도로 검출 가능한 EMRI의 수와 그로 인한 GWB의 신호 대 잡음비(SNR)를 정량화하기.

제안 방법

• 이완 기반 및 기타 채널을 포함한 천체물리학적으로 타당한 EMRI 형성 모델에서 EMRI 카탈로그를 구축하였다.
• 4년간의 LISA 임무 동안 고정밀도로 EMRI 신호를 시뮬레이션하기 위해 보완된 분석 클루지(AAK) 웨이브폼 모델을 사용하였다.
• 정확한 LISA 데이터 스트림에 중력파 신호를 주입하기 위해 완전한 시간지연 간섭계(TDI) 응답을 사용하였으며, 레이저 주파수 잡음을 제거하였다.
• 계산 부담을 관리하기 위해 단일 소스 SNR에 대한 사전 계산 임계값을 설정하고, 초기 이심률 >0.9 또는 반 라투스 직경 <10인 소스는 제외하였다.
• 개별적으로 검출 가능한 EMRI를 반복적으로 제거하여 잔여 스토하스틱 배경을 분리하기 위한 반복 알고리즘을 구현하였다.
• 개별적으로 검출 가능한 소스를 제거한 후의 잔여 신호를 사용하여 최종 GWB 파wer 스펙트럼과 SNR를 계산하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 불확실한 EMRI에서 기인하는 스토하스틱 중력파 배경(GWB)의 진폭과 검출 가능성은 어떻게 되는가? (LISA 대역에서)
• RQ2 완전한 LISA 응답과 현실적인 EMRI 웨이브폼을 포함할 경우, 단순화된 모델과 비교해 GWB 추정치에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 EMRI GWB는 1–10 mHz 주파수 범위에서 LISA의 전체 잡음 예산에 어느 정도 기여하는가?
• RQ4 다양한 천체물리학적 EMRI 형성 모델은 결과로 나타나는 GWB 수준과 별도로 검출 가능한 소스의 수에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 EMRI GWB는 고적색도의 MBHB 씨앗이나 느린 붕괴 과정의 SOBH 이중성과 같은 LISA의 주요 목표 소스의 검출을 상당히 악화시킬 수 있는가?

주요 결과

• M11를 제외한 모든 EMRI 집단 모델에서 검출 가능한 스토하스틱 GWB가 발생하며, 4년간의 관측 후 신호 대 잡음비(SNR)는 약 20에서 >1000 수준이다.
• EMRI GWB는 1–10 mHz 주파수 범위에서 가장 강력하며, 낙관적인 모델(M7 및 M12 등)에서는 이 대역에서 기계적 잡음보다 배경이 지배적일 수 있다.
• 단순화된 모델과 비교할 때 실제 GWB의 SNR는 약 2배 감소하고, 별도로 검출 가능한 EMRI의 수는 파형 및 응답 모델링의 정밀도 향상으로 인해 3~5배 감소한다.
• EMRI GWB는 다른 천체물리학적으로 중요한 소스, 특히 고적색도의 거대은하핵 이중 블랙홀(MBHB) 씨앗과 느린 붕괴 과정의 별 기원 블랙홀(SOBH) 이중성의 검출 가능성에 상당한 영향을 미칠 것으로 예상되며, 이들 역시 낮은 주파수에 집중되어 있다.
• 배경은 갈락틱 백색왜성 이중성의 비등방성 혼잡 잡음과는 달리 등방적으로 분포되어 있을 것으로 예상되며, 외성간 SOBH 및 중성자별 이중성 배경과 겹쳐져 데이터 분석에서 분리하는 데 어려움을 줄 수 있다.
• 반 라투스 직경 <10 및 이심률 >0.9인 소스를 제외하는 것은 실제 GWB 진폭을 과소평가할 수 있으며, 이는 실제 SNR와 별도로 검출 가능한 소스의 수가 더 클 수 있음을 시사한다.