关于地面干涉仪波段内致密双星并合产生的引力波背景

本文报告了一项关于致密双星并合产生的引力波 (GW) 背景的综合研究。我们在计算中考虑了新近可用的基于观测的中子星和黑洞质量分布，以及包含后牛顿振幅修正的完整解析波形。我们的结果表明：(i) 后牛顿效应导致 GW 背景信号小幅减弱；(ii) 在 100 Hz 以下，背景主要取决于局部并合率 $r_0$ 和平均啁啾质量，而与啁啾质量分布无关；(iii) 宇宙恒星形成率以及双星形成与并合之间延迟时间的影响在 100 Hz 以下呈线性关系，并可由单个参数在约 2 倍的因子范围内表示；(iv) 能量密度参数 $\Omega_{GW}(f) ~ f^{2/3}$ 的简单幂律模型在高达 50-100 Hz 的范围内足以用作地面干涉仪的搜索模板。就背景信号的探测前景而言，我们表明：(i) Advanced LIGO 探测器 (H1-L1) 在一年观测期内实现探测（信噪比为 3）要求双中子星（双黑洞）的并合率为 $r_0 = 3 (0.2) Mpc^{-3} Myr^{-1}$；(ii) 对于两个共址探测器，$r_0$ 的这一限制可降低 3 倍，而目前提出的全球先进仪器网络仅能提高约 30% 的可探测性；(iii) 计划中的 Einstein Telescope 灵敏度的提高不仅允许对背景进行可靠探测，还能测量频谱的高频分量。最后，我们表明低于阈值的双中子星并合事件会产生强烈的前景，这可能成为未来地基原初 GW 随机搜索的一个问题。