[论文解读] Detectability of hyperbolic encounters of compact stars with ground-based gravitational waves detectors

Sajal Mukherjee, S. Mitra+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 5, 2020

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 4被引用 4

一句话总结

本文研究了利用地面激光干涉仪探测致密星体（如黑洞和中子星）的轨道为双曲线的相遇所产生的引力波的可探测性。基于保守的天体物理参数和本地星团动力学，研究发现此类事件可能被当前及下一代探测器观测到，为估算双星并合观测之外的孤立致密天体数量提供了新途径。

ABSTRACT

Gravitational wave (GW) astronomy promises to observe different kinds of astrophysical sources. Here we explore the possibility of detection of GWs from hyperbolic interactions of compact stars with ground-based interferometric detectors and estimate detection rates for such events. It is believed that a closed cluster, such as a globular cluster, can be a primary source for these interactions. While a rigorous rate estimation calls for more extensive relativistic studies, here, for a reasonable set of parameters well within the astrophysical realm, and considering local geometry within the cluster for such interactions as well as realistic initial conditions, our conservative estimates show that these events may be detectable by the present (with ongoing upgrades) and next-generation ground-based observatories. Some of the implications pertaining to this formalism are represented along with comparisons with the existing literature. In practice, actual detection rates can significantly surpass the estimated average rates, since the chances of finding outliers in a very large population can be high. Such observations (or, no observation) will provide an estimate of isolated compact stars in the universe, which cannot be directly estimated from the observations of binary mergers, taking us one step closer to address a fundamental question, how many black holes and neutron stars are there in the observable universe.

研究动机与目标

• 评估利用地面激光干涉仪探测致密星体双曲线相遇所产生的引力波的可行性。
• 在真实天体物理条件下（尤其是星团内），估算此类事件的探测率。
• 探讨探测或未探测到此类事件对估算孤立致密星体数量的影响。
• 提供一个保守但合理的事件率框架，综合考虑本地星团几何结构和初始条件。
• 弥合双星并合观测与可观测宇宙中孤立致密星体整体普查之间的差距。

提出的方法

• 在星团环境中，利用相对论动力学建模致密星体的双曲线相遇，重点关注局部几何结构和初始条件。
• 应用标准引力波辐射形式化方法，针对非并合、高速相遇情形，估算信号强度和持续时间。
• 在观测到的星团动力学范围内，使用真实的天体物理参数（如致密星体质量、相遇速度和碰撞参数）。
• 估算当前（如LIGO A+）和下一代探测器（如爱因斯坦望远镜、Cosmic Lopes）的信噪比（SNR），以评估可探测性。
• 将结果与现有文献中关于致密星体种群和引力波探测率的研究进行对比，以定位本研究的发现。
• 采用保守的事件率估算技术，考虑大星团中种群异常值和统计涨落的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在真实天体物理条件下，致密星体的双曲线相遇是否能产生地面激光干涉仪可探测的引力波信号？
• RQ2 在保守天体物理假设下（尤其在星团中），此类事件的预期探测率是多少？
• RQ3 双曲线相遇的信号特征与双星并合信号有何不同？这对探测策略有何影响？
• RQ4 非并合致密星体相遇在多大程度上能改善对孤立黑洞和中子星数量的估算？
• RQ5 种群统计和星团动力学如何影响此类稀有、高速事件的探测可能性？

主要发现

• 在真实天体物理条件下，致密星体的双曲线相遇可产生足够强的引力波信号，被当前及下一代地面探测器探测到。
• 探测率估计非零，实际探测率可能超过平均估计值，原因在于大恒星种群中存在统计异常值。
• 所提出的理论框架为估算孤立致密星体数量提供了切实可行的途径，这些星体仅通过双星并合观测无法获得。
• 双曲线相遇的信号特征与并合双星显著不同，尤其在持续时间和频率演化方面，需采用专门的探测策略。
• 本研究表明，此类事件可为普查可观测宇宙中的孤立黑洞和中子星提供互补路径。
• 与现有文献的对比表明，结果与已知的致密星体密度和动力学一致，进一步支持了该模型的物理合理性。