[论文解读] Connecting low-redshift LISA massive black hole mergers to the nHz stochastic gravitational wave background

David Izquierdo–Villalba, Alberto Sesana+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 19, 2024

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 9被引用 1

一句话总结

本研究探讨了脉冲星时标阵列（PTA）最近探测到的nHz频段随机引力波背景（sGWB）是否对激光干涉仪空间天基天文台（LISA）可探测的超大质量双黑洞（MBHB）群体构成约束。基于对Millennium-II模拟应用L-Galaxies半解析模型，研究发现：与PTA sGWB一致的模型——通过超爱丁顿吸积实现更高的MBH增长——预测在低红移（z < 3）时，LISA可探测的MBHB（质量 >10⁶ M⊙）的探测率提高1.6倍，显著增强多信使天文前景，同时对全球LISA并合率（约12 yr⁻¹）影响甚微。

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.

研究动机与目标

• 评估最近由PTA实验报告的nHz频段随机引力波背景（sGWB）是否对LISA可探测的超大质量双黑洞（MBHB）群体构成约束。
• 利用结合电磁波与引力波约束的半解析技术，模拟MBHB在宇宙时空中演化。
• 研究在有利环境中通过超爱丁顿吸积实现的MBH增强增长，如何影响LISA探测率及并合MBHB的电磁波可探测性。
• 评估PTA sGWB信号是否意味着LISA可观测MBHB的多信使天文学可能性更高。

提出的方法

• 将L-Galaxies半解析模型应用于高分辨率的Millennium-II模拟，追踪宇宙时空中星系与MBH的形成过程。
• 修改模型以允许在大质量、富含气体的环境中发生超爱丁顿吸积，从而重现观测到的PTA sGWB振幅。
• 校准模型，使其同时满足当前的电磁波约束（如类星体光度函数）和观测到的nHz sGWB振幅（约1.7–3.2×10⁻¹⁵）。
• 模拟MBHB群体，并基于信噪比（SNR > 10）计算10⁴–10⁷ M⊙质量范围内系统的LISA探测率。
• 通过估算LISA探测到的MBHB的总辐射光度，量化其电磁对应体的可能性。
• 比较两种模型：一种为‘安静’模型（sGWB振幅为基准值，~1×10⁻¹⁵），另一种为‘响亮’模型（通过增强MBH增长使sGWB振幅提高1.5倍，与PTA观测一致）。

实验结果

研究问题

• RQ1 PTA实验观测到的nHz sGWB是否对LISA探测超大质量双黑洞（MBHB）的速率构成约束？
• RQ2 通过超爱丁顿吸积实现的MBH增强增长模型，如何改变LISA可观测MBHB的质量与红移分布？
• RQ3 质量 >10⁶ M⊙的LISA探测MBHB中，其总辐射光度 >10⁴³ erg/s 的可探测电磁辐射概率是多少？
• RQ4 PTA sGWB信号能否在不破坏预测LISA并合率的前提下，与当前电磁波约束相容？

主要发现

• 在‘响亮’模型中，MBHB的全球LISA探测率约为12.3 yr⁻¹，在‘安静’模型中约为12.2 yr⁻¹，表明PTA sGWB对总并合率无显著约束。
• ‘响亮’模型预测在低红移（z < 3）时，质量 >10⁶ M⊙ 的并合MBHB数量增加1.5倍，从约0.8 yr⁻¹上升至约1.2 yr⁻¹。
• 在‘响亮’模型中，质量为10⁵–10⁷ M⊙的LISA可观测MBHB有50%的概率发射总辐射光度 >10⁴³ erg/s，对Lbol >10⁴⁴ erg/s 的概率为10%。
• 在z < 3时，此类高光度系统的探测率在‘响亮’模型中预测为2.4 yr⁻¹，显著增强多信使天文潜力。
• 可探测的高质质量MBHB数量增加，主要归因于在大质量系统中高效且周期性的超爱丁顿吸积；而质量较小的MBHB（<10⁶ M⊙）因小星系中气体流入不足，基本不受影响。
• 尽管该增强MBH增长模型使nHz sGWB强度提高1.5倍，但对全球LISA并合率仅产生轻微影响，表明PTA结果无法约束LISA的总探测率。