黑洞双星并合的引力波背景
Gravitational wave background from coalescence of black hole binaries population
摘要:
这篇论文已经被作者撤回,因为它有重大修改。
英文摘要:
This paper has been withdrawn by the authors because it had major revisions.
机构、总结、中文摘要均由AI分析而来,可能存在错误,请以论文正文为准。
Gravitational wave background from coalescence of black hole binaries population
Stefania Marassi, Raffaella Schneider, Giovanni Corvino, Valeria Ferrari, Simon Portergies Zwart
这篇论文已经被作者撤回,因为它有重大修改。
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继续探索
Enhanced power of gravitational waves and rapid coalescence of black hole binaries through dark energy accretion
本研究探讨暗能量吸积对黑洞双星的影响,发现吸积加速轨道圆化、增强引力波功率并显著缩短并合时间,为引力波天文学提供暗能量的观测特征。
Coalescence Rate of Supermassive Black Hole Binaries Derived from Cosmological Simulations: Detection Rates for LISA and ET
大质量黑洞的合并历史是从宇宙学模拟中得出的,在宇宙学模拟中,这些物体的演化和宿主星系的演化是一致的。目前的研究表明,质量大于$\sim 10^{9} M_{\odot}$的超大质量黑洞在其历史上经历了多达500次合并事件。推导出的每共动体积和每质量间隔的聚结率允许获得沿计划中的干涉仪在空间(LISA)或在地面(Einstein)可达到的频率的引力波信号(“衰荡”)的预期探测率分布的估计。对于LISA,在其原始配置中,对于具有等于10的信噪比的事件,预计总检测率约为$15 yr^{-1}$,预期主要发生在频率范围$4-9 mHz$中。对于爱因斯坦引力波望远镜,预期每14个月一次,低至每4年一次,信噪比为5,主要发生在频率间隔$10-20 Hz$。对这些引力信号及其频率分布的探测将是未来区分解释超大质量黑洞起源的不同情景的重要工具。
Accessibility of the Gravitational-Wave Background due to Binary Coalescences to Second and Third Generation Gravitational-Wave Detectors
紧凑的双星合并,如双中子星或黑洞,是目前和未来的地球引力波探测器的最有前途的候选源之一。虽然这种来源最好使用匹配模板技术和啁啾模板库搜索,但在整个宇宙中整合来自双星的啁啾信号也会导致引力波背景(GWB)。在本文中,我们系统地扫描参数空间的二进制合并GWB模型,考虑到不确定性的恒星形成率和形成和合并的二进制之间的延迟时间,我们比较计算GWB的第二代和第三代引力波探测器网络的灵敏度。我们发现,第二代检测器有可能检测到二进制合并GWB,而第三代检测器将探测大部分可用的参数空间。事实上,二元合并GWB将成为第三代探测器的前景,可能会掩盖宇宙学来源导致的GWB背景。因此,使用第三代探测器的宇宙学GWB将需要识别和减去探测器频带内所有双星的所有inspiral信号。
Detecting cosmological gravitational waves background after removal of compact binary coalescences in future gravitational wave detectors
第三代引力波探测器灵敏度的提高为探测原初宇宙学随机引力波背景(SGWB)提供了可能。宇宙学SGWB的探测面临着一个新的挑战:它可能会被大量由黑洞和/或中子星组成的致密双星系统的合并所产生的前景所掩盖。在本文中,我们探讨了通过去除(开槽)单独解决的紧凑的二进制信号在时间-频率空间中减少这种前景的可能性。我们建立了这样的方法可以用来达到SGWB灵敏度地板定义的未解决的部分紧凑的二进制前景,我们发现之间的$Ω_{\rm GW} \sim (9.1 \times10^{-12} - 8.6\times10^{-11})$的频率无关的能量密度谱和取决于合并的二进制中子星系统的速度。由于第三代引力波探测器无法分辨所有的致密双星,致密双星前景中不可分辨的部分可能会限制SGWB用这些探测器进行搜索。
Formation and Coalescence of Cosmological Supermassive Black Hole Binaries in Supermassive Star Collapse
我们研究可能在早期宇宙中形成的快速旋转的超大质量恒星的坍缩。通过使用三维广义相对论流体动力学和完全动态时空演化自洽地模拟坍缩开始的动力学过程,我们证明了祖先中的种子扰动可以导致两个高自旋超大质量黑洞系统的形成,在强烈的引力辐射的辐射下,它们螺旋式地旋转并合并,10与DECIGO或大爆炸观测引力波天文台,假设超大质量恒星的质量范围在10^4-10^6 Msol。残余物以无量纲自旋a^*=0.9快速旋转。周围的吸积盘包含约10%的初始质量。
Imprint of the merger and ring-down on the gravitational wave background from black hole binaries coalescence
利用最近通过数值模拟(BH-BH)并合产生的混合波形,计算了(BH-BH)双星宇宙学布居产生的引力波背景(GWB),其中包括螺旋、合并和衰荡贡献.一个大样本的二进制系统模拟使用人口合成代码SeBa,我们提取基本的统计信息(BH-BH)的物理参数(初级和次级BH质量,轨道分离和偏心率,形成和合并的时间尺度)。然后,我们推导出的二进制的出生和合并率使用的理论宇宙恒星形成的历史,从一个数值研究,再现现有的观测数据在红移$z < 8$。我们评估的inspiral,合并和振铃信号的GWB的贡献,并讨论如何这些取决于参数的合并(BH-BH)系统的数量的严重影响。我们发现,先进的LIGO/处女座有机会检测GWB信号从螺旋相位与$(S/N)=10$只有最乐观的模型,它预测的最高本地合并率为0.85 Mpc $^{-3}$ Myr $^{-1}$。第三代探测器,如ET,可以揭示GWB从螺旋相位预测的任何考虑的模型。此外,ET可以至少对预测$[0.053 - 0.85]$ Mpc $^{-3}$ Myr $^{-1}$之间的局部合并率的模型的演变的合并阶段进行采样,该合并率比从LIGO S5运行\cite{Abadieetal2011}的分析中推断的上限低2倍以上。
Prospects for early localization of gravitational-wave signals from compact binary coalescences with advanced detectors
可探测到的引力波的一个主要候选来源是成对的恒星质量致密天体的螺旋和合并。先进的LIGO和先进的Virgo探测器将使科学家能够比第一代探测器更早地探测到来自更大质量系统的螺旋信号。来自两颗中子星合并的信号预计将在先进探测器的敏感波段停留数分钟,从而允许在系统最终合并之前进行探测。在这项工作中,在合并之前检测inspiral信号的前景,以及获得合适的源位置的天空区域的可能性进行了研究。由于信号的大部分是在聚结之前的最后10秒内累积的,因此带宽和定时精度在聚结之前的最后时刻大量累积。我们使用蒙特卡罗技术来估计天空定位的准确性,通过网络的地基干涉仪,如aLIGO和aVirgo。通过添加日本KAGRA探测器,表明聚并前的探测和三角测量是可行的。
Compact binary coalescences: gravitational-wave astronomy with ground-based detectors
本文综述了致密双星并合这一最主要引力波源的观测特征与分析方法,并回顾了LIGO、Virgo和KAGRA地面干涉仪网络自2015年以来取得的探测进展。
Detectability of Gravitational Waves from the Coalescence of Massive Primordial Black Holes with Initial Clustering
我们发现初始非高斯聚集效应可以显著提高原初黑洞(PBH)合并的事件率。这种集群的影响进行了研究,在一个特定的情况下,多流通货膨胀。初始聚类使得有可能通过LISA和DECIGO/BBO等天基引力波干涉仪探测大规模PBH合并。地基探测器探测PBH合并的参数制度也得到了扩展。
Summary of cosmology with gravitational waves from compact binary coalescences
GW 170817与它的光学对应物重合,导致了第一个独立于宇宙学距离阶梯的哈勃常数的“标准塞壬”测量。舒茨的“统计”方法,预计在没有唯一确定的主机工作,也开始带来其第一次估计。在这项工作中,我们报告的哈勃常数的引力波测量的当前结果,并讨论了在即将到来的运行的高级LIGO-Virgo探测器网络的观测前景。
Constraining the coalescence rate of supermassive black-hole binaries using pulsar timing
脉冲星定时观测被用来限制超大质量黑洞(SMBH)双星的合并率作为质量和红移的函数。与其他技术的间接约束相反,脉冲星定时观测提供了对黑洞合并率的直接约束。这是可能的,因为脉冲星计时对这些源在演化的最后阶段发射的引力波(GW)很敏感。我们发现,从最近发表的帕克斯脉冲星定时阵列数据计算的上限是略高于理论预测的红移低于10。在未来,随着时间精度的提高和更长的数据跨度,我们表明,GWs的非检测将排除某些特定类别的SMBH二进制合并模型中的可用参数空间。我们还表明,如果我们可以定时一组的时间到10纳秒的定时精度,例如,使用拟议的平方公里阵列,它应该是可能的,以检测一个或多个单独的SMBH二进制系统。
Searching for gravitational waves from binary coalescence
我们描述了从LIGO和Virgo数据中寻找致密二元聚结的引力波的实现。这种全天、全天、多探测器的双星合并搜索已被用于搜索最近LIGO和Virgo运行中获取的数据。搜索是围绕数据的匹配滤波器分析建立的,并通过许多信号一致性测试进行增强,这些测试旨在区分非高斯检测器噪声的伪影和潜在检测。我们使用高斯噪声和来自第五次LIGO科学运行的数据展示了搜索性能,并证明信号一致性测试能够减轻非高斯噪声的影响,并提供与高斯噪声相当的灵敏度。
A targeted coherent search for gravitational waves from compact binary coalescences
我们提出了一种方法进行有针对性的,连贯的搜索紧凑的二进制聚结的细节。该搜索是专门为电磁瞬变,如伽马射线暴的后续行动。我们推导出高斯探测器噪声的相干搜索统计量,并讨论了一致性,多探测器搜索重合方法的好处。为了减轻非平稳数据的影响,我们引入了一些信号一致性测试,包括零信噪比,幅度一致性和几个$χ^{2}$测试。我们展示了高斯噪声和LIGO第四次科学运行的数据上的搜索性能,并验证了信号一致性测试能够消除大多数噪声瞬变,并且搜索的效率与高斯噪声中的效率相当。
Compact Binary Coalescences in the Band of Ground-based Gravitational-Wave Detectors
随着地面引力波望远镜LIGO,Virgo和GEO 600接近第一次探测的时代,我们回顾了合并中子星和黑洞双星的合并率和质量和自旋分布的现有知识。我们强调引力波天文学和传统天体物理学之间的双向联系。天体物理学的投入将使人们有可能就最佳探测器配置和搜索技术作出明智的决定。与此同时,速率上限、探测到的合并速率以及引力波搜索测量的质量和自旋分布将通过与天体物理模型的比较来约束天体物理参数。未来的发展必要的引力波天文学的成功进行了讨论。
Observational Signatures of Highly Magnified Gravitational Waves from Compact Binary Coalescence
针对致密双天体并合引力波透镜效应现象学研究空白,探索高放大引力波观测特征,发现其对建模鲁棒、无需电磁观测即可确证透镜效应,衍射会限制最大放大率并产生探测器可观测波形特征,当前设备可探测并用于研究高红移宇宙。
Measuring a cosmological distance-redshift relationship using only gravitational wave observations of binary neutron star coalescences
从双星中子星合并的螺旋相探测引力波将使我们能够测量这种系统中潮汐耦合的影响。这些效应将可以使用第三代引力波探测器来测量,例如爱因斯坦望远镜,它将能够探测到红移z=4的螺旋状双中子星系统。潮汐效应对引力波信号的相位演化提供了额外的贡献,该信号打破了系统的质量参数和红移之间的简并性,从而允许同时测量单个源的有效距离和红移。利用为爱因斯坦望远镜预测的O(10^3-10^7)可探测双星中子星系统,可以独立于宇宙学距离阶梯和电磁观测来探测光度距离-红移关系。我们提出了一个Fisher信息分析的波形假设的子集可能的中子星状态方程的结果。我们的结论是,对于我们的范围内的代表性中子星状态方程的红移可以确定的精度为8-40%,对于1<z<4。
Merger Rate Distribution of Primordial-Black-Hole Binaries
本文考虑所有原初黑洞及线性密度扰动的力矩,计算了一般质量函数下原初黑洞双星的并合率分布,并指出一维和二维分布对重构质量函数至关重要。
Rates of Compact Object Coalescences
引力波探测使得能够测量由两个致密物体-中子星和/或黑洞-组成的双星的合并速度。包含中子星的双星的合并速率进一步受到电磁观测的限制,包括银河射电双星和短伽马射线暴。与此同时,越来越复杂的紧凑物体通过各种进化渠道合并的模型产生了一系列理论上预测的速率。仪器灵敏度的快速提高,以及新的和改进的调查计划,使这是一个适当的时间来总结现有的观测和理论知识的紧凑的二进制合并率。
Compact binaries detection rates from gravitational wave interferometers: comparison of different procedures
在本文中,我们进行了详细的分析的各种近似的效果,已在文献中使用的计算的检测率的紧凑的二元聚结的干涉引力波探测器。我们评估了BH-BH,NS-NS和BH-NS双星合并的检测率,考虑到它们的特定统计特性,从人口合成模型,宇宙恒星形成率的历史,以及红移对发射的引力波信号的影响。的结果进行了比较与程序,是基于不同程度的近似,如采用平均值的总质量和对称质量比的所有系统的二进制人口,使用这些来计算的地平线距离为个人的检测器,或估计的聚结率密度在此距离内的本地值。我们发现,这些近似引入的偏见,这不仅取决于所使用的近似,但也对所考虑的二进制人口的统计特性。
GW200105 and GW200115 are compatible with a scenario of primordial black hole binary coalescences
最近,Advanced LIGO和Virgo探测器观测到了两次引力波事件,即GW 200105和GW 200115。在这项工作中,我们表明,它们可以解释的情况下,原始的黑洞双星形成于早期宇宙。即使原始黑洞只占冷暗物质的一小部分,这种情况下预测的合并率可能与LIGO和Virgo估计的合并率一致。所需的原始黑洞丰度与现有的微透镜、焦散渡和宇宙微波背景观测的上限是一致的。
Uncertainty in predicting the stochastic gravitational wave background from compact binary coalescences
本研究通过综合评估双星并合背景的不确定性,提供了一种全面预测随机引力波背景的方法,以辅助未来探测的解释。
Next-generation global gravitational-wave detector network: Impact of detector orientation on compact binary coalescence and stochastic gravitational-wave background searches
本研究探讨下一代引力波探测器网络中臂朝向对随机背景和致密双星并合搜索灵敏度的影响,提出优化方法并比较五种配置,表明全球协调建设该网络具有优势。
Unraveling Binary Evolution from Gravitational-Wave Signals and Source Statistics
下一代地面引力波探测器很可能观测到来自致密天体双星合并的引力波。我们描述了最先进的致密二元聚结率的预测和报告的初步努力,以开发一个框架转换成改进的约束天体物理参数的引力波观测。
Emission Lines as a Tool in Search for Supermassive Black Hole Binaries and Recoiling Black Holes
探测并合前双星的电磁(EM)对应物对于我们理解这些系统的演化以及相关的吸积物理具有非常重要的意义。此外,从合并的超大质量黑洞双星(SBHB)中观测到的电磁波和引力波信号的组合将提供对红移和光度距离的独立测量,从而允许高精度的宇宙学测量。然而,这些物体的统计学上的重要样本尚未获得,并且通过观测发现它们已被证明是一项艰巨的任务。在这里,我们将讨论现有的观测证据,以及如何在合并之前和之后的SBHB的观测签名的理论理解的进一步进展,可以帮助在未来的搜索。
The competing effect of gas and stars in massive black hole binaries evolution
大质量的黑洞双星被预测形成的宇宙结构的层次组装,并将代表低频引力波(GW)检测目前和即将到来的GW实验的最响亮的来源。在进入GW驱动的状态之前,它们的演化是由与周围恒星和气体的相互作用驱动的。虽然恒星的相互作用总是会使双星缩小,但最近的研究预测了双星外旋的可能性,这可能是由气体盘的存在所介导的,这可能会无休止地延迟合并并影响大质量双星的合并率。在这里,我们实现了一个半分析的治疗,遵循的恒星和气体的综合作用下的二元演化。我们发现,双星可能outspiral只有当他们附近或以上的爱丁顿限制,只有直到他们的分离达到气体盘自引力半径。即使是外螺旋的情况下,双星最终也会达到足够大的质量,让GW接管并驱动它合并。恒星硬化,质量增长和GW驱动的螺旋的综合作用使双星最多在几百万年内合并,这意味着气体驱动的膨胀不会严重影响即将到来的GW设施的探测前景。
Magnetic fileds of coalescing neutron stars and the luminosity function of short gamma-ray burst
合并中子星双星被认为是地面引力波探测器最可靠的来源,也是短伽马射线暴的可能祖先。在并合过程中,中子星的磁场可以诱发有趣的观测现象,并影响引力波信号的形式。本文采用粒子数合成方法,在对中子星初始参数及其磁场演化的不同假设下,模拟了中子星合并过程中的磁场分布。讨论了磁化中子星双星合并前可能出现的电磁现象以及磁场对引力波信号的影响。我们发现,中子星初始磁场的对数正态分布(单位为高斯)与射电暴的观测性质一致,在对中子星磁场演化和初始参数的不同假设下,产生的磁场能量分布能充分描述观测到的短伽马射线暴的光度函数.这一协议进一步支持合并中子星双星作为伽马射线暴的祖先的模型。
Effect of metallicity on the gravitational-wave signal from the cosmological population of compact binary coalescences
最近对恒星演化的研究表明,致密天体的性质很大程度上取决于其形成环境的金属丰度。使用一些非常简单的假设的恒星星族的金属丰度,我们探讨如何影响这一属性的未解决的引力波背景从河外致密双星。我们利用粒子群合成程序得到了一套模型,估算了它们产生的引力波本底,并讨论了它在第二代(先进LIGO,先进Virgo)和第三代(爱因斯坦望远镜)探测器上的可探测性。我们的研究结果表明,在地球探测器的频率范围内,所有考虑的模型的背景是占主导地位的双黑洞,它可以在大多数情况下检测到先进的LIGO/室女座,并与爱因斯坦望远镜具有非常高的信噪比。观测到的引力波谱峰值取决于恒星星族的金属丰度。
Massive black hole binaries: dynamical evolution and observational signatures
大质量黑洞对在合并过程中的动力学演化研究在等级星系形成的背景下是至关重要的。黑洞二进制的形成和合并的时间尺度仍然约束不足,导致在电磁波和引力波频谱中检测到的大质量黑洞二进制的预期速率存在很大的不确定性。在这里,我们回顾了目前的理论认识的黑洞配对星系合并,特别注意最近的发展和开放的问题。我们的结论与审查的预期观测签名的大规模的二进制文件,并在文献中讨论的候选人。
Radiatively inefficient accretion flows induced by gravitational-wave emission before massive black hole coalescence
研究了在引力波驱动下大质量双黑洞演化过程中的吸积流。在双星轨道由于与大质量环双星盘的相互作用而衰减之后,双星与环双星盘解耦,因为由于引力波的发射而导致的轨道衰减时标变得比在环双星盘的内边缘处评估的粘性时标短。在随后的演化过程中,吸积盘在潮汐半径处由于潮汐力矩的作用而被截断,并随着轨道的衰减而收缩。假设由这个过程改变的盘质量都是吸积的,当半长轴是几百个史瓦西半径时,盘的辐射效率变得很低。尽管辐射热光度很低,但高能辐射是在黑洞合并之前很久从每个黑洞周围的吸积盘中发出的,也是引力波信号。如果每个黑洞周围都有一个强的偶极磁场,那么同步加速器过程可以在很远的距离产生潜在的可观测的无线电辐射。在不等质量比双星中,由于次级黑洞盘的射电辐射比初级黑洞盘的射电辐射亮度高、持续时间短,所以在观测的光变曲线上可以看到台阶状的光变。这样的前兆不是单一黑洞系统所独有的,而是二元黑洞系统所独有的,这意味着二元黑洞最终会在没有吸积盘的情况下合并。
The impact of distant fly-bys on the rate of binary primordial black hole mergers
通过对二元原初黑洞(PBH)系统演化的蒙特卡罗模拟,估计了与单个PBH的远距离相遇对二元PBH合并时间和合并速率的影响.我们发现,PBH组成的暗物质,$f_\mathrm{PBH}\sim 1$的大部分模型,预期的分数变化在合并时间是可以忽略不计的顺序$10^{-6}$的大多数二进制。对于模型具有显着较低的PBH丰度,$f_\mathrm{PBH}\ll 1$,我们发现,由于遇到二进制寿命的平均变化可以大到$\mathcal{O}(10^{-2})$,与少数的二进制经历了一个统一的顺序改变寿命。在没有遇到的情况下,我们还比较使用的合并时间的解析近似数值演变的二元系统,发现解析近似的结果在合并时间的顺序$10\%$错误。然而,当考虑到这些影响,有一个可以忽略不计的变化,计算合并率,放置在一个更安全的基础上观测到的引力波信号合并二进制黑洞所产生的PBH丰度的限制。
Parameter estimation on gravitational waves from multiple coalescing binaries
未来的地基和星载干涉引力波探测器每年可能捕获数万至数千个双星合并事件。从单个事件的引力波特征来估算天体物理学相关参数,如质量和自旋,这方面的工作越来越多,而且意义重大。本文介绍了一个强大的贝叶斯框架相结合的参数估计多个事件的参数分布的基础事件人口。该框架可以很容易地部署为一个快速的后处理工具。
Gravitational Wave Driven Mergers and Coalescence Time of Supermassive Black Holes
研究了初始嵌入合并星系中心的超大质量黑洞(SMBH)从星系合并开始到合并的演化过程。我们进行了大量的直接N体模拟与三个不同的斜率的中央恒星尖点和不同的随机种子。后牛顿条款高达3.5阶用于驱动SMBH二进制的相对论性制度的演变。研究了SMF对硬化速率和聚结时间的影响。我们发现,SMBH二进制合并以及在十亿年内,当我们的模型被缩放到一个陡峭的尖点在低红移的星系。在这里,更高的中心密度提供了更大的恒星供应,以有效地从SMBH双星轨道中提取能量,并将其缩小到引力波(GW)发射占主导地位的阶段,从而导致SMBH的合并。合并的模型与浅尖点,是代表巨大的椭圆星系的中心核心的结果在较低的效率提取的二进制轨道能量,由于较低的恒星密度的中心。然而,在这样的星系合并中,SMBH双星的高偏心率值确保了GW发射占主导地位的相位集在更早的半长轴的较大值。这有助于补偿在恒星相遇阶段的能量提取效率较低,导致在双星形成后约一个Gyr内合并SMBH。此外,我们见证了合并残余物中的质量偏析,导致SMBH二元硬化率提高。我们表明,至少在尖状低质量星系的合并的最后阶段将与GW探测器eLISA观察。
Gravitational Radiation Background from Boson Star Binaries
我们计算了玻色子双星产生的引力辐射背景,玻色子双星形成于局部稠密的星团中,其形成速率由规则的恒星形成速率跟踪。我们计算了玻色子场质量和排斥自耦合对引力波频率窗口的影响,并考虑了EPTA和LISA的约束。我们还评论这些二进制的可能的可探测性。
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