利用下一代引力波观测器约束 Population III 恒星人口统计

下一代引力波观测器将比当前更深地进入宇宙，揭示来自早期恒星双星系统（如 Population III 恒星）的黑洞合并事件，这些事件的性质目前尚不清楚。我们发展了一种方法，从引力波目录中推断其前体人口的性质。我们采用贝叶斯深度学习，对种系预测的黑洞合并性质进行仿真训练，横跨红移范围，关键是考虑由于训练仿真数量有限导致的系统不确定性。结合对星系形成历史的非参数模型，我们分析了包含 Population I/II 和 III 来源的目录，这些来源针对 Cosmic Explorer 和 Einstein Telescope 网络的一年观测时间进行了完整的贝叶斯参数估计。我们展示了在两种人口在红移处均对黑洞合并率作出相当贡献时分离这两种人口的能力，排除了 Population III 合并率为零的可能性，几乎达到 100% 的可信度。此外，我们可以在约束范围内对 Population III 前体分布进行有意义的约束；特别是，我们将初始质量函数的谱指数控制在大约 +/-0.5 之内，并将星系形成率密度的对数在红移 10 到 20 之间控制在约 25% 之内。通过利用以 astrophysics 为导向和以 astrophysics 为无关模型，我们展示了这种组合推断方法的判别力，并凸显了下一代引力波观测器在揭示高红移恒星人口细节的潜力。