Population III 二进制黑洞合并产生的引力波：两种演化通道的作用

二进制黑洞(BBH) 合并产生的引力波(GW)信号是探测 Population III (Pop III) 星的有力手段。要充分发挥 GW 探测的潜力，一个重要步骤是理解不同 BBH 演化通道的相对重要性和特征。在本工作中，我们基于半解析代码 A-SLOTH，在各种关于 Pop III 初始质量函数(IMF)、初始二进制统计以及高 $z$ 核星团(NSCs) 的假设下，对两种通道进行建模：孤立二进制恒星演化(IBSE) 和 核星团-动力硬化(NSC-DH)。NSC-DH 通道在整个宇宙演化历史中贡献约 $\sim 8-95\%$ 的 Pop III BBH 合并，初始二进制星更宽、更偏重的 IMF 以及更丰富的高 $z$ NSCs 都会实现更高的贡献。Pop III BBH 合并产生的无量纲随机 GW 背景(SGWB)在观察者帧频率 $\nu\sim 10-100\ \rm Hz$ 附近的峰值值为 $\Omega^{\rm peak}_{\rm GW}\sim 10^{-11}-8\times 10^{-11}$。在 $\nu\lesssim 10\ \rm Hz$ 处，Pop III 贡献可占总体 SGWB 的 $\sim 2-32\%$。以爱因斯坦探测器为例，NSC-DH 和 IBSE 通道的 Pop III BBH 合并检测率分别为 $\sim 6-230\ \rm yr^{-1}$ 和 $\sim 30-1230\ \rm yr^{-1}$。Pop III NSC 中的 BBH 合并质量更高，因此在大多数情况下它们支配 $\nu<20\ \rm Hz$ 处的 Pop III SGWB。此外，爱因斯坦探测器检测至少有一个中间质量黑洞($>100\ \rm M_\odot$) 的 Pop III BBH 合并的检测率在 NSC 中为 $\sim 0.5-200\ \rm yr^{-1}$，但在 IBSE 中仍低于 $0.1\ \rm yr^{-1}$。