[论文解读] Astro2020 science white paper: The gravitational wave view of massive black holes

Monica Colpi, Kelly Holley‐Bockelmann+17 more|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2019

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 54被引用 16

一句话总结

本白皮书提出，引力波（GW）观测站——LISA 和脉冲星计时阵列（PTA）——将通过探测宇宙时空中大质量黑洞（MBH）的并合，彻底改变我们对MBH的理解。LISA将以前所未有的精度测量MBH的质量和自旋，而PTA将追踪来自超大质量双星的宇宙引力波背景，从而实现对MBH演化和动力学的全面普查。

ABSTRACT

Coalescing, massive black-hole (MBH) binaries are the most powerful sources of gravitational waves (GWs) in the Universe, which makes MBH science a prime focus for ongoing and upcoming GW observatories. The Laser Interferometer Space Antenna (LISA) -- a gigameter scale space-based GW observatory -- will grant us access to an immense cosmological volume, revealing MBHs merging when the first cosmic structures assembled in the Dark Ages. LISA will unveil the yet unknown origin of the first quasars, and detect the teeming population of MBHs of $10^4 - 10^7$ solar masses. forming within protogalactic halos. The Pulsar Timing Array, a galactic-scale GW survey, can access the largest MBHs the Universe, detecting the cosmic GW foreground from inspiraling MBH binaries of about 10^9 solar masses. LISA can measure MBH spins and masses with precision far exceeding that from electromagnetic (EM) probes, and together, both GW observatories will provide the first full census of binary MBHs, and their orbital dynamics, across cosmic time. Detecting the loud gravitational signal of these MBH binaries will also trigger alerts for EM counterpart searches, from decades (PTAs) to hours (LISA) prior to the final merger. By witnessing both the GW and EM signals of MBH mergers, precious information will be gathered about the rich and complex environment in the aftermath of a galaxy collision. The unique GW characterization of MBHs will shed light on the deep link between MBHs of $10^4-10^{10}$ solar masses and the grand design of galaxy assembly, as well as on the complex dynamics that drive MBHs to coalescence.

研究动机与目标

• 建立引力波天文学作为探测宇宙历史中大质量黑洞（MBH）形成与演化的主要工具。
• 解决高红移（z ~ 20）时期MBH如何形成并增长至超大质量规模的未解之谜。
• 利用LISA和PTA可探测的引力波信号，表征MBH的人口统计特征、自旋状态及并合速率。
• 通过在并合前后关联引力波探测与电磁对应体，实现多信使天文学。
• 通过引力波波形测量时空几何结构与MBH视界结构，以检验基础物理理论。

提出的方法

• 利用激光干涉空间天线（LISA）——一种对100 µHz至100 mHz频段敏感的太空引力波观测站——探测质量介于10⁴至10⁷ M☉的MBH双星在后期旋近、并合及 ringing down 阶段发出的引力波信号。
• 利用脉冲星计时阵列（PTA），通过监测银河系内毫秒脉冲星，探测质量约为10⁹ M☉的超大质量MBH双星在十年时间尺度上产生的随机引力波背景。
• 应用广义相对论波形模型，对质量相当、无进动的MBH双星的引力波信号进行建模，通过质量缩放信号振幅与频率，以覆盖广泛的动态范围。
• 将引力波数据与宇宙学模拟相结合，模拟MBH在原星系晕中的形成及其通过主要并合事件的演化过程。
• 采用贝叶斯推断方法，从信噪比（SNR ~ 1000）极高的引力波信号中提取MBH参数，如质量、自旋和天球位置。
• 整合电磁波与引力波数据，触发多信使警报，实现对MBH并合前后环境的协同观测。

实验结果

研究问题

• RQ1 大质量黑洞在宇宙早期（特别是宇宙黎明期，z ~ 20）如何形成并增长？
• RQ2 MBH在整个宇宙时间中的真实并合速率是多少？其与星系并合历史有何关联？
• RQ3 LISA能否以比仅依靠电磁观测更高的精度测量MBH的自旋与质量？
• RQ4 PTA探测到的随机引力波背景的本质是什么？它如何约束超大质量MBH的群体特性？
• RQ5 在致密恒星环境中，MBH双星的动力学如何影响其引力波辐射特性及并合 timescale？

主要发现

• LISA将在后期旋近阶段探测到质量介于10⁴至10⁷ M☉的MBH双星，信噪比高达约1000，从而实现对质量与自旋的精确测量。
• LISA将通过探测原星系晕中MBH并合，揭示宇宙黑暗时期（z ~ 7）高红移类星体的起源，从而探测量子星系的形成机制。
• PTA将探测到质量约为10⁹ M☉的MBH双星产生的随机引力波背景，为宇宙中最巨大黑洞提供全面普查。
• LISA对MBH质量与自旋的测量精度远超电磁探测手段，从而可直接检验广义相对论在强引力场中的有效性。
• MBH并合的引力波探测将触发警报，支持电磁波后续观测：LISA可提前数小时发出预警，而PTA可提供长达数十年的预测。
• LISA与PTA的联合数据将首次提供宇宙时间尺度上双星MBH及其轨道演化过程的完整、宇宙学意义上的普查。