非圆形星质量双黑洞: populations, 可探测性, 以及在 LISA 与 LIGO 时代的波形分析

通过动力学相互作用形成的非圆形双黑洞(BBHs)可显著贡献引力波(GW)探测。在本工作中，我们构建了一个包含来自银河系场（飞掠相互作用）、银河系核（非圆形 Kozai-Lidov 进化）以及全球星团（N 体相互作用）贡献的本地宇宙中动态形成的星质量 BBHs 模拟目录。我们的结果预测银河系中存在广泛且高度非圆形的 BBHS population，源计数为 $\sim 36, 13, 4.7, 2.3, 1.0$（分别对应 $\mathrm{SNR} > 1, 3, 8, 20, 50$）在 10 年 LISA 观测期间。将此模型扩展到宇宙尺度的 populations，我们显示不同动力学通道可在 LVK 带中产生不同的非圆形分布，并可贡献数百个额外的低信噪比 mHz 来源。具体而言，我们的模型给出约 $\Gamma \sim 9 \mathrm{Gpc}^{-3}\mathrm{yr}^{-1}$ 的合并速率，以及约 $\sim 490$ 个 SNR $> 1$ 的外银河系 mHz BBHs。然而，由于星质量 BBHs 的质量较低且 GW 信号较弱，这一数字在更高的检测阈值（例如 $\sim 1$ 对应 $\mathrm{SNR} > 8$）时会急剧下降。我们进一步指出了非圆形 BBHS 信号对 LISA 全局拟合的影响，表明其单个谐波在银河系中可独立探测，且可能模拟为圆形双星并导致系统性偏差的啁鸣质量。最后，我们表明在 mHz 带中，对于质量 $\lesssim 10^3 M_\odot$ 的非圆形 BBHS，后近似波形能可靠收敛。总体而言，非圆形 BBHS 代表一种普遍且值得期待的未来太空基 GW 观测站的目标。本工作模拟的目录以及开发的 LISA Eccentricity Astrophysics Package (LEAP) 可在 https://github.com/zeyuanxuan/lisa-leap/ 上公开获取。