[论文解读] Massive Black Hole Binaries as LISA Precursors in the Roman High Latitude Time Domain Survey

Zoltán Haiman, Chengcheng Xin+28 more|arXiv (Cornell University)|Jun 26, 2023

Radio Astronomy Observations and Technology被引用 5

一句话总结

本文提出，NASA的南希·格蕾斯·罗马空间望远镜将通过其高纬度时域巡天，探测多达100万个大质量双黑洞（MBHBs）的光学变异性，其中约50万个具有5–12天周期性信号的系统可作为LISA引力波探测的电磁前体。罗马望远镜的高时间密度、深度成像能力将实现对这些系统的稳健识别，从而通过将电磁信号与引力波信号关联，推动多信使天文学的发展，实现对合并大质量双黑洞的联合观测。

ABSTRACT

With its capacity to observe $\sim 10^{5-6}$ faint active galactic nuclei (AGN) out to redshift $z\approx 6$, Roman is poised to reveal a population of $10^{4-6}\, { m M_\odot}$ black holes during an epoch of vigorous galaxy assembly. By measuring the light curves of a subset of these AGN and looking for periodicity, Roman can identify several hundred massive black hole binaries (MBHBs) with 5-12 day orbital periods, which emit copious gravitational radiation and will inevitably merge on timescales of $10^{3-5}$ years. During the last few months of their merger, such binaries are observable with the Laser Interferometer Space Antenna (LISA), a joint ESA/NASA gravitational wave mission set to launch in the mid-2030s. Roman can thus find LISA precursors, provide uniquely robust constraints on the LISA source population, help identify the host galaxies of LISA mergers, and unlock the potential of multi-messenger astrophysics with massive black hole binaries.

研究动机与目标

• 通过光学变异性识别处于最终并合阶段的大质量双黑洞（MBHBs），作为LISA引力波探测的电磁前体。
• 约束低红移（z ≲ 1）范围内质量约为10⁴–10⁶ M⊙的MBHBs群体，其参数范围与LISA的灵敏度窗口重叠。
• 通过将罗马望远镜的电磁观测与LISA对MBHB并合的引力波探测结果关联，实现多信使天体物理学研究。
• 通过提供精确的天区定位和并合前的电磁后续观测，提升LISA源宿主星系的识别能力。

提出的方法

• 罗马望远镜的高纬度时域巡天将对19 deg²区域进行深度、高时间密度的观测（3天时间基线），在F087波段达到28等的极限星等。
• 该巡天将探测约10⁶个质量大于10⁵ M⊙的活动星系核，其中约50万个表现出10%的通量变异性，并具有5–12天的周期性，这些特征可作为MBHB的指示。
• 通过重复观测生成的光曲线识别周期性变异性，并确保轨道相位采样具有统计置信度。
• 通过将观测到的周期性与引力波辐射导致的轨道衰减预期进行匹配，识别MBHB候选体。
• 罗马望远镜可通过在数小时内机动至引力波源位置，实现对LISA警报的实时后续观测，其大视场和高机动性为此提供了支持。
• 通过将罗马望远镜的电磁数据与LISA的定位精度进行交叉比对，最大化与LISA的协同效应，尤其针对总质量小于10⁷ M⊙、红移z ≤ 1的MBHBs。

实验结果

研究问题

• RQ1 罗马望远镜能否探测到活动星系核中具有周期性光学变异性、并指示大质量双黑洞（MBHBs）处于最后旋近阶段的信号？
• RQ2 在罗马望远镜观测到的具有5–12天周期性的活动星系核中，预计有多少比例是真正的MBHBs？其中有多少将被LISA探测到？
• RQ3 与基线较短的以往巡天相比，罗马望远镜的高时间密度巡天在提升LISA前体探测能力方面能实现多大程度的改进？
• RQ4 罗马望远镜能否通过并合前的电磁观测，有效实现对LISA探测到的MBHB并合事件宿主星系的定位与识别？
• RQ5 通过同时进行电磁（罗马望远镜）和引力波（LISA）观测，对MBHBs实现多信使探测的潜力有多大？

主要发现

• 预计罗马望远镜将探测到约50万个活动星系核，其通量变异性达10%且具有5–12天周期性，与旋近中的MBHBs特征一致。
• 对于总质量小于10⁶ M⊙、红移z = 0.1的MBHBs，约50%将在并合前1天被定位在罗马望远镜广域仪器（WFI）视场内。
• 对于红移z ≤ 1、质量小于10⁷ M⊙的MBHBs，罗马望远镜WFI将在并合前一小时内完全覆盖LISA的定位不确定区域，从而实现高置信度的宿主星系识别。
• 该巡天将编目多达10⁶个质量与红移范围与LISA可探测MBHB群体重叠的黑洞。
• 罗马望远镜在4个月内以3天为周期的观测，可提供95%的概率完整采样周期性信号的轨道相位，显著降低误报率。
• 与LISA的协同作用可实现MBHB并合的潜在同步多信使探测，其中罗马望远镜提供宿主星系背景信息及并合前的电磁特征。