[论文解读] On the Gravitational Wave Noise from Unresolved Extragalactic Binaries

D. I. Kosenko, К. А. Постнов|arXiv (Cornell University)|Jan 6, 1998

Cosmology and Gravitation Theories被引用 15

一句话总结

本文计算了未解析的河外双白矮星产生的随机引力波背景，考虑了观测到的宇宙恒星形成演化。即使在早期高红移恒星形成的情况下，河外背景在LISA频段（10⁻³–10⁻² Hz）的幅度也至多比银河系混淆噪声小一个数量级，并且在所有高于~3×10⁻³ Hz的频率上，其幅度始终低于银河系信号。

ABSTRACT

We calculate stochastic gravitational wave background produced by extragalactic merging binary white dwarfs at the LISA frequencies $10^{-3}-10^{-2}$ Hz with account of a strong evolution of global star formation rate in the Universe recently established observationally. We show that for the observed global star formation history and modern cosmological models the extragalactic background is an order of magnitude smaller than the mean Galactic value. An early star formation burst at high redshifts can bring it at a higher level but still a few times lower than the mean Galactic one.

研究动机与目标

• 评估LISA频段内未解析的河外双白矮星产生的随机引力波背景。
• 将观测到的全球恒星形成率（SFR）随红移的演化纳入引力波背景计算。
• 确定河外双星系统是否可能产生可探测或显著的背景，与银河系混淆噪声相比。
• 评估宇宙学模型和早期恒星形成爆发对河外引力波背景幅度的影响。

提出的方法

• 作者使用来自深场巡天（如哈勃深空场、CFHQS）的红移依赖恒星形成率（SFR）推导出引力波背景的能量密度。
• 他们采用啁啾质量形式，将引力波发射率与双星并合率关联，假设能量损失主要由引力辐射主导。
• 计算过程对红移积分，考虑宇宙学时间膨胀以及并合双星共动数密度的演化。
• 通过标准表达式计算背景幅度 ΩGW(f)，将其与单位对数频率间隔内的共动能量密度关联。
• 他们在不同宇宙学模型（如ΛCDM、开放、平坦）之间比较结果，并测试在z > 2时早期恒星形成爆发的情景。
• 最终结果以银河系背景水平为归一化基准，以评估可探测性及相对重要性。

实验结果

研究问题

• RQ1 将观测到的恒星形成率随红移的演化纳入后，对预测的河外引力波背景幅度有何影响？
• RQ2 河外双白矮星在LISA频段（10⁻³–10⁻² Hz）内对总随机引力波背景的相对贡献是多少？
• RQ3 早期高红移恒星形成爆发是否能显著增强河外引力波背景，使其达到甚至超过银河系混淆噪声水平？
• RQ4 河外背景的各向同性与银河系背景的各向异性相比如何？这对LISA源分离有何影响？

主要发现

• 并合双白矮星产生的河外引力波背景在LISA频段（10⁻³–10⁻² Hz）内至多比银河系平均混淆噪声小一个数量级。
• 即使在高红移（z ~ 2–6）存在强烈的早期恒星形成爆发，河外背景幅度也仅为银河系平均的几倍，不超过银河系水平的~10%。
• 对于1年积分时间，银河系双星混淆极限在~3×10⁻³ Hz处变得透明，使河外背景在更高频段可能具有相关性。
• 背景幅度与重子物质密度 Ωbh₁₀₀² 成比例，但即使取上限0.02，河外信号仍远低于银河系噪声。
• 河外背景是各向同性的，且不受LISA轨道运动调制，而银河系成分具有各向异性，这可能有助于通过互相关技术实现分离。
• 结果表明，除非在z > 3时恒星形成率继续增加，否则河外引力波背景能量密度预计为 ΩGW ~ 10⁻⁹，比银河系平均小十倍。