与宇宙再电离一致的第三星族双黑洞引力波背景

引力波源GW150914的最近发现揭示了一个质量约为$\sim 30~M_\odot$的并合双黑洞(BBH)。此类大质量双星起源的早期提议包括第三星族(PopIII)恒星。PopIII恒星是BBH以及$10-100$ Hz波段引力波背景(GWB)的高效产生者，也是早期宇宙中电离辐射的高效产生者。我们量化了由PopIII恒星产生的GWB振幅($\Omega_{\rm gw}$)与电子散射光学深度($\tau_{\rm e}$)之间的关系，假设其电离辐射的$f_{\rm esc}\approx 10\%$逃逸到星系际介质中。我们发现，如果$\tau_{\rm e} \gtrsim 0.07$，PopIII恒星将产生一个可被未来O5 LIGO/Virgo探测到的GWB，这与最近的Planck测量$\tau_e=0.055 \pm 0.09$一致。此外，来自PopIII BBH的背景谱指数在$f \gtrsim 30$ Hz时变得小至${\rm d}\ln \Omega_{\rm gw}/{\rm d}\ln f\lesssim 0.3$，这明显比低红移和较小质量BBH通常产生的$\sim 2/3$值更平坦。O5 LIGO/Virgo在此低频率处对独特平坦化的探测将表明存在高啁啾质量、高红移BBH族，这与PopIII起源一致。Einstein Telescope在$30-50$ Hz附近对谱形的精确表征也可约束PopIII初始质量函数和恒星形成率。