[论文解读] The last three years: multiband gravitational-wave observations of stellar-mass binary black holes

Antoine Klein, G. Pratten+11 more|arXiv (Cornell University)|Apr 7, 2022

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 24

一句话总结

本论文分析从LISA到地面探测器观测的两种原型多带恒星质量双黑洞源，显示所有17个双体参数的百分比级测量、潜在宿主识别，以及在EM跟进前几天的并发警报，同时警告GR测试可能不如预期具有约束力。

ABSTRACT

Understanding the formation and evolution of the stellar-mass binary black holes discovered by LIGO and Virgo is a challenge that spans many areas of astrophysics, from stellar evolution, dynamics and accretion disks, to possible exotic early universe processes. Over the final years of their lives, stellar-mass binaries radiate gravitational waves that are first observable by space-based detectors (such as LISA) and then ground-based instruments (such as LIGO, Virgo and the next generation observatories Cosmic Explorer and the Einstein Telescope). Using state-of-the-art waveform models and parameter-estimation pipelines for both ground- and space-based observations, we show that (the expected handful of) these multiband observations will allow at least percent-level measurements of all 17 parameters that describe the binary, the possible identification of a likely host galaxy, and the forewarning of the merger days in advance allowing telescopes at multiple wavelengths to search for any electromagnetic signature associated to it. Multiband sources will therefore be a gold mine for astrophysics, but we also show that they could be less useful as laboratories for fundamental tests of general relativity than has been previously suggested.

研究动机与目标

• 激励研究恒星质量双黑洞（SmBBHs）在天体物理通道中的形成与演化。
• 评估跨越太空基（LISA）与地面探测器（LIGO/ET/CE）的多带引力波观测的科学潜力。
• 展示多带观测能够识别可能的宿主星系，并实现多日提前的并合警报以便电磁跟进。
• 量化多带数据如何在不同形成情景下改进参数估计、定位与天体物理推断。

提出的方法

• 以与 GW150914 和 GW190521 相匹配的探测器帧质量和自旋，模拟两个原型 SmBBH 系统（“light” 和 “heavy”）。
• 在 LISA 与地面带上建模包括偏心、自旋进动和高阶多极项的全多带 GW 信号。
• 在 LISA 时延干涉仪输出上使用 Balrog 进行贝叶斯参数估计。
• 在高信噪比的三代探测网设置（HLV+ 或 ET/CE）下，使用 IMRPhenomXPHM 对地面观测进行建模。
• 结合 LISA 与地面观测的后验，评估内在参数测量和并合时间约束的改进。

实验结果

研究问题

• RQ1 从 LISA 到 3G 探测器的多带 GW 观测是否能够实现对所有 17 个双黑洞参数的百分比级测量？
• RQ2 LISA 的定位和并合时间信息在地面探测前后在天空位置和距离上的约束程度如何？
• RQ3 多带观测在识别可能的宿主星系和制定电磁跟进策略方面的有效性如何？
• RQ4 相比单带分析，多带观测是否能提供对基本物理（例如 GR 偏离）的更强检验？
• RQ5 在实现多带参数估计和提前警报方面，实际面临的挑战有哪些（数据处理、波形建模、标定）？

主要发现

• 多带观测至少实现对所有 17 个双黑洞参数的百分比级测量。
• LISA 极好地测量啁啮质量，分数误差约为 1e-4，偏心率 e0.01 的绝对误差约为 1e-4–1e-3。
• 地面三代探测器对内在参数（质量、自旋）的分数误差约为质量 0.1% 左右、自旋约 1%。
• 仅用 LISA 的定位在 90% 的天空区域约为 ~4 deg^2（light）到 ~10 deg^2（heavy）；与 ET 结合可降至 ~4 deg^2，并将三维定位改进为大约 3–50 Mpc^3 的体积，取决于网络。
• 识别宿主星系可实现红移测量和 H0 的统计误差 ΔH0 ≲ 1 km s−1 Mpc−1，并允许环境研究（金属丰度、星形成史）。
• 研究发现多带源在某些 GR 测试方面不如以前认为强大，原因是 LISA 并合时间精度的局限性以及对先前费舍尔矩阵方法的依赖。