[论文解读] Observing extreme-mass-ratio inspirals with eLISA/NGO

J. R. Gair, E. K. Porter|arXiv (Cornell University)|Oct 30, 2012

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 5

一句话总结

本文评估了在升级版激光干涉仪空间天线（eLISA）的NGO任务概念下，对极端质量比旋进（EMRI）事件的探测前景。利用匹配滤波信噪比（SNR）阈值和波形模型，研究估计NGO在为期2年的任务中可探测到数十个EMRI事件，且事件率与红移分布对探测器配置和黑洞自旋高度敏感。

ABSTRACT

The extreme-mass-ratio inspirals (EMRIs) of stellar mass compact objects into massive black holes in the centres of galaxies are an important source of low-frequency gravitational waves for space-based detectors. We discuss the prospects for detecting these sources with the evolved Laser Interferometer Space Antenna (eLISA), recently proposed as an ESA mission candidate under the name NGO. We show that NGO could observe a few tens of EMRIs over its two year mission lifetime at redshifts z < 0.5 and describe how the event rate changes under possible alternative specifications of the eLISA design.

研究动机与目标

• 评估空间引力波探测器eLISA/NGO对极端质量比旋进（EMRI）事件的可探测性。
• 量化不同eLISA/NGO设计配置（包括臂长和激光链路数量）下EMRI事件率的变化。
• 研究可探测EMRI事件率与红移分布对大质量黑洞自旋的依赖性。
• 评估NGO探测EMRI事件在天体物理学、宇宙学和基础物理方面的科学潜力。

提出的方法

• 以匹配滤波信噪比（SNR）作为探测标准，设定事件探测的阈值为ρ_thresh = 20。
• 采用单边功率谱密度S_h(f)建模探测器噪声，使用Amaro-Seoane等人（2012）提供的NGO特定灵敏度，以及Barack与Cutler（2004）的经典LISA灵敏度。
• 应用两种波形模型：基于Teukolsky方程的圆形-赤道EMRI波形，以及适用于具有偏心率和倾角的通用EMRI的解析近似模型。
• 通过在外部参数上平均信噪比积累过程，计算可观测寿命T_obs(z)，再对红移和本征事件率进行积分，以估算总事件率。
• 比较四种探测器配置：四链路NGO（1 Gm臂长）、六链路NGO、四链路NGO（2 Gm臂长）以及经典LISA（六链路，2 Gm臂长）。
• 采用蒙特卡洛方法对额外参数进行平均，并使用天球平均灵敏度曲线，估算在不同质量与自旋区间内可探测的事件数量。

实验结果

研究问题

• RQ1 在标准设计假设下，eLISA/NGO在为期2年的任务寿命中可探测到多少个EMRI事件？
• RQ2 当eLISA/NGO配置发生变化（如臂长增加或激光链路增多）时，EMRI事件率如何变化？
• RQ3 可探测EMRI的红移分布是怎样的？其分布如何依赖于大质量黑洞的自旋？
• RQ4 在不同探测器配置和黑洞自旋值下，探测到的EMRI质量分布如何变化？
• RQ5 eLISA/NGO在多大程度上能够实现与原始LISA任务相同的科学目标（如测量黑洞质量函数或约束哈勃常数）？”

主要发现

• NGO任务概念预计在2年任务期内可探测到约15个EMRI事件，对于非旋转大质量黑洞，其红移分布峰值出现在z ≈ 0.2处。
• 对于快速旋转的大质量黑洞（a = 0.9），红移分布峰值移至z ≈ 0.3，且最大可探测红移增至z ≈ 1。
• 六链路NGO配置可使事件率提升至约70起，而四链路NGO（2 Gm臂长）配置可探测到约95起事件。
• 经典LISA（六链路，2 Gm臂长）可探测到最多约300个EMRI事件，较NGO高出一个数量级。
• 绝大多数探测到的EMRI质量分布在10⁵至10⁶ M☉之间，低自旋黑洞对应的峰值质量约为~5×10⁵ M☉，高自旋黑洞则约为~7×10⁵ M☉。
• 事件率对本征EMRI事件率的天体物理不确定性相对不敏感，表明不同探测器配置之间的相对比较具有稳健性。