LIGO 能否探测到？来自冷却坍缩星盘的激烈相干引力波

我们首次利用基于数值方法的3维广义相对论磁动力学模拟，对坍缩星盘的引力波（GW）进行系统研究。这些模拟包含固定的克尔度规描述中心超大质量黑洞（BH），并采用简化的盘冷却模型。我们发现，冷却盘在约10个引力半径处的高度/半径比 $H/R\gtrsim0.1$ 会在紧凑、高密度环中诱发罗布斯不稳定性。被捕获的罗布斯涡旋会产生强劲的相干辐射，无论盘的磁化程度及黑洞自转如何。对于约为 $10\,M_\odot$ 的黑洞，GW 频谱在约100 Hz 处达到峰值，由于多种非轴对称模式的存在呈现一定宽度。随着盘的粘性扩散及落入气体的圆化半径增大，频谱会向更低频率移动。较弱冷却盘（$H/R\gtrsim0.3$）形成低密度的螺旋臂结构，导致更宽、更低振幅的频谱。假设采用灵活的 matched-filter 信噪比为20的检测阈值且事件率类似于类 Ibc 类型超新星，我们预计LIGO-Virgo-KAGRA 联合实验每年只能探测到$\lesssim1$ 事件，表明GW事件可能已被观测数据中的噪声掩盖。第三代GW探测器在冷却强度及盘形成率不同情况下，年可探测数十至数百个坍缩星盘事件。与核心坍缩超新星相比，坍缩星盘的GW振幅$\gtrsim100$ 且事件率显著更高，可能成为LVK 及 Cosmic Explorer 探测最有前景的脉冲型GW信号类别。这凸显了进一步探索和建模盘驱动型GW的重要性，为理解坍缩星体物理提供了新视角。