[논문 리뷰] Connecting low-redshift LISA massive black hole mergers to the nHz stochastic gravitational wave background

David Izquierdo–Villalba, Alberto Sesana외 5명|arXiv (Cornell University)|2024. 01. 19.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 9인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 펄서 타이밍 어레이(PTA)에서 최근에 검출된 nHz의 확률적 중력파 배경(sGWB)이 LISA로 탐지 가능한 질량이 큰 블랙홀 이원성(MBHB)의 집단을 어떻게 제약하는지 조사한다. L-Galaxies 반분석 모델을 Millennium-II 시뮬레이션에 적용하여, 초아인선계도를 통해 더 높은 MBH 성장을 이룩하는 모델이, 저적색도(z < 3)에서 질량 >10⁶ M⊙인 LISA MBHB 탐지 률을 1.6배 높게 예측함을 보여주며, 전반적인 LISA 융합 률(~12 yr⁻¹)에 크게 영향을 주지 않으면서 다중메신저 가능성을 높인다.

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.

연구 동기 및 목표

• 최근 보고된 PTA 실험에서의 nHz 확률적 중력파 배경(sGWB)이 LISA로 탐지 가능한 질량이 큰 블랙홀 이원성(MBHB)의 집단을 제약하는지 평가하기.
• 전자기적 및 중력파 제약 조건을 모두 통합한 반분석 기법을 사용하여 우주 시간에 따른 MBHB의 진화를 모델링하기.
• 유리한 환경에서 초아인선계도를 통한 MBH 성장 증가가 LISA 탐지 률과 융합 중인 MBHB의 전자기적 탐지 가능성에 어떤 영향을 미치는지 조사하기.
• PTA sGWB 신호가 LISA로 관측 가능한 MBHB들과의 다중메신저 천문학의 가능성 증가를 암시하는지 평가하기.

제안 방법

• 고해상도 Millennium-II 시뮬레이션에 L-Galaxies 반분석 모델을 적용하여 우주의 시간에 따른 은하 및 MBH 구성 추적하기.
• 관측된 PTA sGWB 진폭을 재현하기 위해 질량이 크고 가스가 풍부한 환경에서 초아인선계도를 허용하도록 모델 수정하기.
• 현재 전자기 제약 조건(예: 활성 은하핵 밝기 함수)과 관측된 nHz sGWB 진폭(~1.7–3.2×10⁻¹⁵)을 동시에 만족시키기 위해 모델 校정하기.
• 10⁴–10⁷ M⊙ 질량 범위의 시스템에 대해 신호 대 잡음비(SNR > 10) 기반으로 LISA 탐지 률 계산하기.
• LISA로 탐지된 MBHB의 빛의 총량을 추정하여 전자기적 반영의 가능성 정량화하기.
• 두 모델을 비교: 기준 sGWB 진폭(~1×10⁻¹⁵)을 가진 '조용한' 모델과 PTA 관측치를 반영한(1.5배 높은 sGWB) '시끄러운' 모델.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PTA 실험에서 관측된 nHz sGWB가 LISA로 탐지 가능한 질량이 큰 블랙홀 이원성(MBHB)의 탐지 률을 제약하는가?
• RQ2 초아인선계도를 통한 MBH 성장 증가 모델이 LISA로 관측 가능한 MBHB의 질량 및 적색도 분포에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 질량 >10⁶ M⊙인 LISA로 탐지된 MBHB가 감지 가능한 전자기 복사(전체 빛의 총량 >10⁴³ erg/s)를 방출할 확률은 얼마인가?
• RQ4 PTA sGWB 신호는 현재의 전자기 제약 조건을 해치지 않으면서도 예측된 LISA 융합 률과 조화를 이룰 수 있는가?

주요 결과

• 전반적인 LISA 탐지 률은 '시끄러운' 모델에서 약 ~12.3 yr⁻¹, '조용한' 모델에서 약 ~12.2 yr⁻¹로 거의 동일하여, PTA sGWB가 총 융합 률에 큰 제약을 둔다는 것을 시사한다.
• '시끄러운' 모델은 저적색도(z < 3)에서 질량 >10⁶ M⊙인 융합 중인 MBHB의 수를 1.5배 증가시켜, 약 0.8에서 약 1.2 yr⁻¹로 증가시킨다.
• '시끄러운' 모델에서 질량 10⁵–10⁷ M⊙인 LISA로 관측 가능한 MBHB는 전체 빛의 총량 >10⁴³ erg/s를 방출할 가능성이 50%이며, Lbol >10⁴⁴ erg/s일 경우 확률은 10%로 증가한다.
• 저적색도(z < 3)에서 고광도 시스템의 탐지 률은 '시끄러운' 모델에서 2.4 yr⁻¹로 예측되어 다중메신저 잠재력이 크게 향상된다.
• 감지 가능한 고질량 MBHB의 증가 원인은 대규모 시스템에서 효율적이고 주기적인 초아인선계도에 기인하며, 낮은 질량의 MBHB(<10⁶ M⊙)는 작은 은하에서의 가스 유입 부족으로 거의 영향을 받지 않는다.
• 초아인선계도에 의한 MBH 성장 증가 모델은 nHz sGWB를 1.5배 강하게 만들지만, 전반적인 LISA 융합 률에는 미미한 영향을 미치므로, PTA 결과가 총 LISA 탐지 률을 제약할 수 없다는 것을 시사한다.