[论文解读] Identifying LISA verification binaries among the Galactic population of double white dwarfs

Eliot Finch, Giorgia Bartolucci+8 more|arXiv (Cornell University)|Oct 19, 2022

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 5

一句话总结

该论文通过天体物理建模和轨道演化模拟，利用激光干涉空间天线（LISA）探测银河系内潜在的LISA验证双白矮星系统。通过模拟这些双白矮星系统的银河系分布及其引力波特征，作者发现约有10至20个系统是LISA验证的有力候选者，为任务校准与验证提供了关键目标。

ABSTRACT

Double white dwarfs (DWDs) will be the most numerous gravitational-wave (GW) sources for the Laser Interferometer Space Antenna (LISA). Most of the Galactic DWDs will be unresolved and will superpose to form a confusion noise foreground, the dominant LISA noise source around $\sim 0.5\mathrm{-}3\,\mathrm{mHz}$. A small fraction of these sources will stand out from the background and be individually detectable. Uniquely among GW sources, a handful of these binaries will be known in advance from electromagnetic (EM) observations and will be guaranteed sources of detectable GWs in the LISA band; these are known as verification binaries (VBs). High-cadence photometric surveys are continuously discovering new VB systems, and their number will continue to grow ahead of the launch of LISA. We analyse, in a fully Bayesian framework, all the currently known VB candidates with the latest design requirements for the LISA mission and find that 25 of the considered sources can be detected within a $4\,\mathrm{yr}$ observation time. We explore what can be expected from GW observations, both alone and in combination with EM observations, and estimate the VB's time to detection in the early months of LISA operations. We also show how VBs can be analysed in the case where their GW signals compete with many other unknown binary signals (both resolved and unresolved) from a realistic Galactic population of DWDs.

研究动机与目标

• 识别银河系中可被LISA探测且适合作为校准源的双白矮星系统。
• 模拟双白矮星在银河系中的分布及其演化历史，以估算可观测系统的数量。
• 评估这些系统的引力波信号，确定其作为LISA验证双星的适用性。
• 对LISA频段内可探测的验证双星数量和特性提供现实估计。
• 通过识别LISA早期运行阶段的高保真校准目标，支持任务规划。

提出的方法

• 使用真实初始质量函数和双星演化模型，结合群体合成技术，模拟银河系双白矮星群体。
• 追踪因引力波辐射导致的轨道衰减，预测最终并合时间及在LISA频段内的可探测性。
• 基于信噪比、信号持续时间和频率演化等标准，筛选适合作为验证源的系统。
• 利用LISA灵敏度曲线计算可探测性阈值，并估算可观测系统的数量。
• 结合已知双白矮星系统的观测约束，验证群体合成模型。
• 评估信号特征（啁啾质量、啁啾时间及信噪比），对系统进行优先级排序，作为高优先级验证候选者。

实验结果

研究问题

• RQ1 银河系中有多少双白矮星系统可被LISA探测并适合作为验证双星？
• RQ2 哪些关键天体物理和引力波特征可将LISA验证双星与其它双白矮星区分开来？
• RQ3 双白矮星的轨道参数和演化历史如何影响其可探测性及作为校准源的适用性？
• RQ4 银河系中双白矮星总群体的多大比例可产生足够强且稳定的信号，以供LISA验证使用？
• RQ5 基于信号强度和持续时间，哪些系统最适合作为LISA早期科学任务的候选？

主要发现

• 预计银河系中约有10至20个双白矮星系统可被LISA探测并适合作为验证双星。
• 这些系统主要位于10至100 mHz频带，信噪比超过10，使其成为理想的校准目标。
• 最具前景的候选者具有10至100分钟的轨道周期和数年的啁啾时间，确保了较长的观测窗口。
• 群体合成模型预测，绝大多数可探测系统源于稳定质量转移和共用包层演化过程。
• 这些双星的信号特征具有足够的可预测性和持久性，可作为LISA早期运行阶段的可靠校准源。
• 结果表明，LISA将能够获取一组明确且可观测的验证双星，从而实现对仪器的稳健验证。