[论文解读] The contribution of inspiraling massive black hole binaries to the LISA data stream

Alberto Sesana, F. Haardt+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 10, 2004

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 1

一句话总结

该论文在ΛCDM宇宙学模型下，对10³–10⁸ M☉质量的宇宙学尺度大质量黑洞双星群体的引力波（GW）信号进行建模，通过恒星动力学和引力波辐射模拟其动力学演化。LISA预计在3年内可分辨90起此类事件，其中35起将在并合前被探测到，主要来自质量约为10⁵ M☉、红移2 < z < 6的双星系统；其余55起为高红移、低质量系统，其最终并合频率超出LISA的探测频段，对混淆噪声的贡献可忽略不计。

ABSTRACT

Massive black hole binaries, with masses in the range 1E3-1E8 Msun, are one of the primary target for the planned Laser Interferometer Space Antenna (LISA). We extend and refine our previous analysis (Sesana et al. 2004), detailing the gravitational wave signal expected from a cosmological population of massive black hole binaries. As done in our previous paper, we follow the merger history of dark matter halos, the dynamics of the massive black holes they host, and their growth via gas accretion and binary coalescences in a LCDM cosmology. Stellar dynamical processes dominates the orbital evolution of black hole binaries at large separations, while gravitational wave emission takes over at small radii, causing the final coalescence of the pairs. We show that the GW signal from this population, in a 3 year LISA observation, will be resolved into 90 discrete events with S/N&gt;5, among which 35 will be observed above threshold until coalescence. These "merging events" involve relatively massive binaries, M=1E5 Msun, in the redshift range 2&lt;z&lt;6. The remaining 55 events come from higher redshift, less massive binaries (M=5E3 Msun at z&gt;6) and, although their S/N integrated over the duration of the observation can be substantial, the final coalescence phase is at too high frequency to be directly observable by LISA. The total number of detected events accounts for a fraction &gt;90% of all coalescences of massive black hole binaries at z&lt;5. The residual confusion noise from unresolved massive black hole binaries is expected to be at least an order of magnitude below the estimated stochastic LISA noise.

研究动机与目标

• 在ΛCDM宇宙学模型下，对宇宙学尺度大质量黑洞双星群体（10³–10⁸ M☉）的引力波信号进行建模。
• 评估激光干涉空间天线（LISA）在为期3年的观测期内对这些双星的可探测性。
• 量化未解析双星对LISA数据流中混淆噪声的贡献。
• 确定可探测并合事件的红移与质量分布及其信噪比。
• 评估LISA可探测的z < 5红移范围内所有并合事件的比例。

提出的方法

• 通过模拟暗物质晕的并合历史，追踪大质量黑洞双星的形成与演化。
• 在大分离距离下使用恒星动力学过程建模双星轨道演化，在小分离距离下使用引力波辐射机制。
• 在ΛCDM框架下，通过气体吸积和双星并合过程追踪黑洞质量增长。
• 计算每个双星系统的引力波应变振幅与频率演化，以估计其被LISA探测的可能性。
• 对整个群体的总信号功率进行积分，以估算混淆噪声水平。
• 应用信噪比阈值（S/N > 5）以识别可探测事件，并区分那些在LISA频带内完成并合的事件。

实验结果

研究问题

• RQ1 在为期3年的任务中，LISA将分辨多少起大质量黑洞双星并合事件？这些事件占z < 5红移范围内所有并合事件的比例是多少？
• RQ2 哪些质量与红移范围主导了可探测事件？这些事件的信噪比分布如何？
• RQ3 未解析的大质量黑洞双星对LISA数据流中混淆噪声的贡献有多大？
• RQ4 为何一些高红移、低质量的双星在总信噪比积分中可探测，却无法在最终并合阶段被探测到？
• RQ5 同时包含恒星动力学与引力波驱动演化过程的模型，如何影响预测的探测率？

主要发现

• LISA预计在3年观测期内可分辨90起大质量黑洞双星事件，且信噪比S/N > 5。
• 其中35起事件将在并合前被完整观测，主要来自质量约为10⁵ M☉、红移2 < z < 6的双星系统。
• 其余55起事件源自更高红移（z > 6）和更低质量（M ≈ 5 × 10³ M☉）的双星系统，其最终并合频率过高，无法被LISA探测。
• 这些被探测到的事件占z < 5红移范围内所有大质量黑洞双星并合事件的90%以上。
• 未解析双星产生的残余混淆噪声估计至少比随机LISA噪声水平低一个数量级。
• 群体的总引力波信号主要由高红移、低质量系统主导，但由于频带限制，仅其中一小部分可被直接观测。