[논문 리뷰] Galaxy fields of LISA massive black hole mergers in a simulated Universe

Gaia Lops, David Izquierdo–Villalba외 4명|arXiv (Cornell University)|2022. 07. 21.

Relativity and Gravitational Theory인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 L-Galaxies 반분석 모델을 Millennium-I 융합 트리에 적용하여, z ≤ 3에서 총 질량 3×10⁵–3×10⁷ M☉인 LISA로 탐지된 거대 블랙홀 이진의 주변 은하를 시뮬레이션한다. 연구 결과, LISA의 하늘 위치 국소화 범위는 여전히 넓어(≥10²개의 은하) 융합 시 직접 주변 은하 식별이 어려우나, 활성 은하핵(AGN)의 X선 대응체를 통해 식별이 가능하다는 것을 밝혀냈다. eROSITA는 희미한 AGN 약 10%를 배제할 수 있으며, 향후 X선 천문대(O₃)는 z ≤ 1 시스템에서 융합 전 AGN을 0.1시간 이내로 탐지할 수 있어, LISA-Taiji 네트워크 지원 시 다중메신저 관측이 가능하다.

ABSTRACT

LISA will extend the search for gravitational waves (GWs) at $0.1\,{-}\,100$ mHz where loud signals from coalescing binary black holes of $ 10^4 \,{-}\,10^7\, m M_{\odot}$ are expected. Depending on their mass and luminosity distance, the uncertainty in the LISA sky-localization decreases from hundreds of deg$^2$ during the inspiral phase to fractions of a deg$^2$ after the merger. By using the semi-analytical model L-Galaxies applied to the Millennium-I merger trees, we generate a simulated Universe to identify the hosts of $z\,{\leq}\,3$ coalescing binaries with total mass of $3\,{ imes}\,10^{5}$, $3\,{ imes}\,10^6$ and $3\,{ imes}\,10^7 m M_{\odot}$, and varying mass ratio. We find that, even at the time of merger, the number of galaxies around the LISA sources is too large (${\gtrsim}\,10^2$) to allow direct host identification. However, if an X-ray counterpart is associated to the GW sources at $z\,{<}\,1$, all LISA fields at merger are populated by ${\lesssim}\,10$ AGNs emitting above ${\sim}\, 10^{-17} \, m erg\,cm^{-2}\,s^{-1}$. For sources at higher redshifts, the poorer sky-localization causes this number to increase up to ${\sim}\, 10^3$. Archival data from eRosita will allow discarding ${\sim}\, 10\%$ of these AGNs, being too shallow to detect the dim X-ray luminosity of the GW sources. Inspiralling binaries in an active phase with masses ${\lesssim}\,10^6 m M_{\odot}$ at $z\,{\leq}\,0.3$ can be detected, as early as $10$ hours before the merger, by future X-ray observatories in less than a few minutes. For these systems, ${\lesssim}\,10$ AGNs are within the LISA sky-localization area. Finally, the LISA-Taiji network would guarantee the identification of an X-ray counterpart $10$ hours before merger for all binaries at $z\,{\lesssim}\,1$.

연구 동기 및 목표

• 우주론적으로 대표적인 시뮬레이션 우주에서 LISA로 탐지된 거대 블랙홀 이진(MBHB)의 주변 은하를 식별하기 위해.
• 이중체와 관련된 활성 은하핵(AGN)의 X선 대응체를 통해 MBHB 주변 은하의 식별 가능성 평가하기 위해.
• 미래 X선 천문대가 LISA의 위치 국소화 오차 박스 내에서 융합 전 AGN을 탐지하기 위해 필요한 노출 시간 평가하기 위해.
• LISA-Taiji 네트워크가 융합 10시간 전에 X선 대응체 식별을 보장할 수 있는 조건을 규명하기 위해.
• 적색이동과 이진 질량이 LISA의 국소화 영역 내 AGN 수와 그 탐지 가능성에 미치는 영향 정량화하기 위해.

제안 방법

• L-Galaxies 반분석 모델을 Millennium-I 융합 트리에 적용하여, z ≤ 3에서 총 질량 3×10⁵, 3×10⁶, 3×10⁷ M☉인 MBHB를 포함하는 은하의 합성 집단을 생성한다.
• 모델은 MBHB의 유도 및 융합 과정을 추적하며, Eddington 제한된 질량 증착을 가정하고 수소 열두께 10²¹.⁵ cm⁻²일 때의 흡착 광도 및 X선 유도량을 추정한다.
• LISA의 하늘 위치 국소화 오차 박스를 시뮬레이션하며, 유도기 동안 수백 km²에서 융합 후 수십 분의 1 km²로 불확실성이 감소한다.
• 각 LISA 국소화 영역 내 AGN 수를 계산하며, 0.5–2 keV 및 2–10 keV 밴드에서 유량 한계 약 10⁻¹⁷ erg cm⁻² s⁻¹를 가정한다.
• 세 가지 향후 X선 천문대(O₁, O₂, O₃)의 감도 곡선과 AGN의 추정 X선 유도량을 기반으로 노출 시간 요구량을 계산한다.
• LISA-Taiji 네트워크가 융합 10시간 전에 소스를 국소화할 수 있는 능력과 X선 대응체 탐지 가능성 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 융합 시점에 LISA의 하늘 위치 국소화 오차 박스 내 예상되는 은하 수는 얼마이며, X선 대응체를 통해 식별 가능할 수 있는가?
• RQ2 LISA 국소화 영역 내 AGN 중 eROSITA가 탐지 가능한 비율은 얼마이며, 얼마나 많은 AGN이 너무 희미하여 배제될 수 있는가?
• RQ3 다른 적색이동과 질량에서, 향후 X선 천문대가 융합 전 AGN을 탐지하기 위해 필요한 최소 노출 시간은 얼마인가?
• RQ4 LISA-Taiji 네트워크는 z ≤ 1의 모든 MBHB에 대해 융합 10시간 전에 X선 대응체 탐지 보장을 할 수 있는가?
• RQ5 이중체 질량과 적색이동에 따라 AGN의 X선 광도 및 탐지 가능성은 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• 융합 시점에 LISA의 하늘 위치 국소화 범위는 여전히 ≥10²개의 은하를 포함하여, 은하 수를 세는 방식으로 직접 주변 은하 식별은 비현실적이다.
• z < 1의 MBHB에 대해, 융합 시점의 모든 LISA 영역은 소프트 X선 대역에서 약 10⁻¹⁷ erg cm⁻² s⁻¹ 이상의 광도를 내는 AGN을 최대 10개 이하로 포함하며, 이는 X선 후속 관측을 통한 식별 가능성을 보장한다.
• eROSITA는 LISA 영역 내 약 10%의 잠재적 AGN을 그들의 낮은 X선 광도로 인해 감도 한계 이하로 인해 배제할 수 있다.
• 향후 X선 천문대 O₃는 3×10⁷ M☉의 MBHB와 관련된 Eddington 제한된 AGN을 적색이동에 관계없이 소프트 및 하드 X선 대역 모두에서 0.1시간 이내로 탐지할 수 있다.
• z ≤ 0.3에서 3×10⁵–3×10⁶ M☉의 MBHB에 대해 O₃는 융합 10시간 전에 소프트 밴드에서 노출 시간이 0.1시간 미만으로 X선 대응체를 탐지할 수 있다.
• 활성이고 X선으로 밝은 AGN일 경우, LISA-Taiji 네트워크는 z ≤ 1의 모든 MBHB에 대해 융합 10시간 전에 X선 대응체 탐지 보장을 할 수 있다.