[论文解读] Observable gravitational waves from tidal disruption events and their electromagnetic counterpart

Toscani, M., Lodato, G.|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 90被引用 20

一句话总结

本文估算未来引力波（GW）探测器（特别是LISA和下一代任务如Decigo）对潮汐瓦解事件（TDEs）的可探测性。通过引力波辐射的半解析建模与恒星场速率，研究发现，除非黑洞嵌入在含大质量恒星（m★,max ≳60 M⊙）的年轻恒星场中，否则LISA几乎不可能探测到TDE；在此情况下，可能观测到最多几十起事件。下一代探测器每年可探测数千起TDE，从而实现对黑洞质量与恒星环境的群体研究，且预期在X射线或光学波段存在电磁对应体。

ABSTRACT

We estimate the rate of tidal disruption events (TDEs) that will be detectable with future gravitational wave detectors as well as the most probable properties of these events and their possible electromagnetic counterpart. To this purpose we combine standard gravitational waves and electromagnetic results with detailed rates estimates. We find that the \emph{Laser Interferometer Space Antenna} (LISA) should not detect any TDEs, unless black holes (BHs) are typically embedded by a young stellar population which, in this situation, could lead up to few 10 events during the duration of the mission. If there are gravitational wave observations, these events should also be observable in the X-ray or the optical/UV part of the electromagnetic spectrum, which may open up the multi-messenger era for TDEs. The generation of detectors following LISA will at least yearly observe $10^4$ TDEs at cosmological distances, allowing to do population studies and constrain the black hole mass function. In all cases, most probable events should be around black holes with a mass such that the Keplerian frequency at the Schwarzschild radius is similar to the optimal frequency of the detector and with a large penetration factor.

研究动机与目标

• 估算未来引力波探测器（如LISA和Decigo）可探测的潮汐瓦解事件（TDE）率。
• 确定可探测TDE最可能的物理特性，包括黑洞质量、恒星质量与穿透因子。
• 评估可探测的TDE引力波事件是否可能在X射线或光学/紫外波段具有可观测的电磁对应体。
• 探讨LISA的探测或非探测结果如何约束黑洞周围恒星场的年龄。
• 为未来结合引力波与电磁波数据的多信使TDE观测提供分析框架。

提出的方法

• 本研究使用半解析模型，基于恒星-黑洞系统的质量、半径与轨道参数，计算引力波应变与频率。
• 采用广义相对论与牛顿近似，结合红移与共动距离（χ(z)），在ΛCDM宇宙学框架下推导特征应变（ℎGW）与观测频率（𝑓obs）。
• 模型引入穿透因子 β = rT/rp，其中 β ≤ βmax = rT/(2rSch)，以确保恒星不会被直接捕获；并假设采用Kroupa型恒星初始质量函数，且高质质量截断外推。
• 通过结合引力波探测阈值（S/Nlim）与星系尺度的恒星与黑洞质量函数，利用Davidzon+17与Reines+15的实测黑洞质量函数，计算TDE发生率。
• 电磁波可探测性基于标准TDE光度模型，非直接坠入事件预计产生X射线与光学/紫外耀发。
• 分析过程采用类似蒙特卡洛的参数采样方法，并计算不同探测器与恒星场模型下的可观测事件率。

实验结果

研究问题

• RQ1 LISA能否探测到涉及恒星与恒星级或超大质量黑洞的潮汐瓦解事件的引力波？
• RQ2 未来引力波探测器可探测的TDE最可能的物理参数（黑洞质量、恒星质量、穿透因子）为何？
• RQ3 可探测的TDE引力波事件是否很可能在X射线或光学/紫外波段具有可观测的电磁对应体？
• RQ4 LISA的探测或非探测结果如何约束黑洞周围恒星场的年龄与质量分布？
• RQ5 下一代引力波探测器（如Decigo、ALIA与BBO）在宇宙学红移范围内，预计对TDE的探测率是多少？

主要发现

• 除非黑洞嵌入在最大恒星质量 m★,max ≳60 M⊙ 的年轻恒星场中，否则LISA在4年任务期内几乎不可能探测到任何TDE；在此情况下，最多可探测到几十起事件。
• 对于此类年轻恒星场，LISA可探测TDE的最大红移为 zmax ≈ 0.1，对应特征应变阈值为 ℎGW ≈ 10−22。
• 下一代探测器（如Decigo）预计每年可在宇宙学距离探测到 10^4 至 10^6 起TDE，从而实现对黑洞质量函数的详细研究。
• 任何引力波探测器可探测的最可能TDE，是黑洞质量使得在临界半径处的开普勒频率（κ×rSch）与探测器最优频率相匹配的事件。
• LISA或Decigo可探测的所有引力波TDE事件，预计均具有明亮的X射线或光学/紫外电磁对应体，从而支持多信使后续观测。
• 与Kroupa型初始质量函数相比，单色恒星场的TDE发生率显著降低（约低5倍），凸显恒星质量分布对事件率估算的重要性。