[论文解读] Stochastic Gravitational-Wave Background from Stellar Core-Collapse Events

Bella Finkel, Haakon Andresen+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 4, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 82被引用 22

一句话总结

本文利用非旋转和快速旋转前身星的三维数值模拟，估算来自恒星核心坍缩超新星的随机引力波背景（SGWB）。尽管整合了多种模拟模型，预测的SGWB仍远低于第三代探测器（如Cosmic Explorer）的灵敏度，且可能弱于宇宙学贡献，表明其在当前或近期内无法被探测到。

ABSTRACT

We estimate the stochastic gravitational-wave background arising from all stellar core-collapse events in the universe based on the gravitational-wave signal predictions of recent numerical simulations. We focus on waveforms from slowly or non-rotating stars and include rapidly rotating, highly massive progenitors as extreme case limits. Our most realistic estimates are more than one hundred times below the sensitivity of third-generation terrestrial gravitational-wave detectors and likely weaker than cosmological contributions to the stochastic gravitational-wave background.

研究动机与目标

• 估算宇宙中所有核心坍缩超新星（CCSNe）产生的随机引力波背景（SGWB）。
• 评估使用第三代引力波探测器（如Cosmic Explorer）探测该SGWB的可能性。
• 评估不同模拟物理模型和波形对整体SGWB幅度的影响。
• 比较天体物理CCSNe来源与宇宙学SGWB来源的幅度。

提出的方法

• 本研究使用无量纲能量谱 ΩGW(f) = (f / ρcH₀) ∫ dz R(z) (dEGW/dfe) (1+z)E(Ωm, ΩΛ, z) / (1+z) 计算SGWB。
• 通过恒星形成率（SFR）建模核心坍缩率 R(z)，假设Salpeter初始质量函数及核心坍缩分数 λCC ≈ 0.007 M⊙⁻¹。
• 引力波能量谱 dEGW/dfe 来自包含不同前身星质量、旋转及中微子输运的三维数值模拟。
• 由于缺乏全天空数据，能量通量中的角度积分通过模拟中可用的方向性波形近似处理。
• 红移演化通过共动体积因子 E(Ωm, ΩΛ, z) = √[Ωm(1+z)³ + ΩΛ] 处理，宇宙学参数为 Ωm = 0.311, ΩΛ = 0.689。
• 分析涵盖多个研究团队提供的多种模拟波形，以确保对流体动力学和中微子输运不确定性具有鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 宇宙中所有核心坍缩超新星产生的随机引力波背景（SGWB）的幅度是多少？
• RQ2 与以往的二维估算相比，包含三维数值模拟如何影响预测的SGWB？
• RQ3 天体物理来源的CCSNe SGWB是否可被第三代地面探测器（如Cosmic Explorer）探测到？
• RQ4 CCSNe SGWB与宇宙学SGWB来源相比，其幅度如何？
• RQ5 不同前身星模型（包括快速旋转和大质量恒星）对整体SGWB水平的影响是什么？

主要发现

• 预测的核心坍缩超新星SGWB远低于第三代地基探测器（如Cosmic Explorer）的灵敏度阈值100倍以上。
• 即使是最乐观的三维模拟估算结果也远未达到可探测水平，表明CCSNe并非SGWB的主要来源。
• CCSNe的SGWB可能弱于宇宙学来源的贡献，如原初引力波或早期宇宙相变。
• 与早期的二维模型相比，包含三维模拟使预测的SGWB幅度降低，因为后者因缺少非轴对称动力学而系统性高估了引力波辐射。
• 不同模拟团队的波形差异带来的不确定性，大于恒星形成率或宇宙学模型选择带来的不确定性。
• 背景主要由吸积激波不稳定性（SASI）产生的低频辐射和原中子星振荡产生的高频辐射主导，但两者对总SGWB的贡献均可忽略。