[论文解读] Galaxy fields of LISA massive black hole mergers in a simulated Universe

Gaia Lops, David Izquierdo–Villalba+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2022

Relativity and Gravitational Theory被引用 5

一句话总结

本研究利用L-Galaxies半解析模型，结合Millennium-I并合树，模拟了红移z ≤ 3时总质量为3×10⁵–3×10⁷ M☉的LISA探测到的中等质量黑洞双星（MBHBs）宿主星系。研究发现，尽管LISA的天区定位精度仍较宽（≥10²个星系），难以在并合时直接识别宿主星系，但活动星系核（AGNs）的X射线对应体可实现识别：eROSITA可排除约10%的暗弱AGNs，而未来X射线望远镜如O₃可在0.1小时内探测到z ≤ 1系统中并合前AGNs，结合LISA-Taiji网络支持，可实现多信使后续观测。

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 $z\,{\lesssim}\,1$.

研究动机与目标

• 在宇宙学代表性模拟宇宙中，识别LISA探测到的中等质量黑洞双星（MBHBs）的宿主星系。
• 评估通过与双星相关的活动星系核（AGNs）的X射线对应体识别MBHB宿主星系的可行性。
• 评估未来X射线望远镜探测LISA天区定位误差框内预并合AGNs所需的曝光时间。
• 确定LISA-Taiji网络在并合前10小时保证X射线对应体识别的条件。
• 量化红移和双星质量对LISA定位场内AGNs数量及其可探测性的影响。

提出的方法

• 将L-Galaxies半解析模型应用于Millennium-I并合树，生成红移z ≤ 3时总质量为3×10⁵、3×10⁶和3×10⁷ M☉的MBHB宿主星系合成样本。
• 模型追踪MBHB在螺旋并合过程中的演化，假设爱丁顿极限吸积，氢柱密度为10²¹.⁵ cm⁻²，估算其吸积光度和X射线通量。
• 模拟LISA的天区定位误差框，其不确定性从并合前的数百平方度降至并合后的不足一平方度。
• 基于0.5–2 keV和2–10 keV波段的通量极限约10⁻¹⁷ erg cm⁻² s⁻¹，计算每个LISA定位场内的AGNs数量。
• 根据未来X射线望远镜（O₁、O₂、O₃）的灵敏度曲线及AGNs估算的X射线通量，计算其曝光时间需求。
• 评估LISA-Taiji网络在并合前10小时对X射线对应体探测能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 在并合时刻，LISA天区定位误差框内预计有多少个星系？能否通过X射线对应体实现识别？
• RQ2 在LISA定位场内，有多少比例的AGNs可被eROSITA探测到？有多少因X射线光度过低而无法被排除？
• RQ3 未来X射线望远镜探测不同红移和质量的MBHB预并合AGNs所需的最短曝光时间是多少？
• RQ4 LISA-Taiji网络是否能确保对z ≤ 1所有MBHB在并合前10小时实现X射线对应体探测？
• RQ5 AGNs的X射线光度和可探测性如何随双星质量和红移变化？

主要发现

• 在并合时刻，LISA的天区定位仍包含≥10²个星系，通过星系计数直接识别宿主星系不可行。
• 对于z < 1的MBHBs，所有LISA并合场内宿主AGNs在软X射线波段（0.5–2 keV）的发射通量均高于∼10⁻¹⁷ erg cm⁻² s⁻¹，可通过X射线后续观测实现识别。
• eROSITA可排除约10%的潜在AGNs，因其X射线光度低于eROSITA的探测灵敏度阈值。
• 未来X射线望远镜O₃可在0.1小时内探测到总质量为3×10⁷ M☉的MBHB所关联的爱丁顿极限AGNs，无论红移高低，且在软X射线和硬X射线波段均适用。
• 对于z ≤ 0.3时总质量为3×10⁵–3×10⁶ M☉的MBHBs，O₃可在并合前10小时探测到X射线对应体，软X射线波段曝光时间<0.1小时。
• 只要AGN处于活动且具有X射线高光度状态，LISA-Taiji网络可确保对z ≤ 1所有MBHB在并合前10小时实现X射线对应体探测。