大质量黑洞形成模型对 LISA 数据流的印记

大质量黑洞的形成、合并与吸积历史沿着宇宙结构的层级构建过程，会在 mHz 频率的引力波背景上留下独特的印记。我们通过专门的黑洞构建模拟，研究使用未来空间基座任务（如 LISA）来约束不同黑洞宇宙演化模型的可能性。我们考虑两种主要的黑洞形成场景，即种子质量较轻（约 10^2 太阳质量，作为人口 III 星的残余），或种子质量较重（超过约 10^4 太阳质量，直接坍缩）。在我们所考察的所有模型中，大质量黑洞双星合并不会产生随机引力波背景，而是一组单独的可解析事件。在 3 年 LISA 任务中检测到数百个合并事件将是重质量种子场景的标志，即在大比例高红移星系中高效形成黑洞种子。另一方面，事件率较低（约几十个/3 年）是种子质量较轻或种子质量较重但稀有情况的特征。在这种情况下，检测事件质量分布的形状将提供决定性诊断。轻质量双星（质量小于 10^4 太阳质量）在人口 III 残余模型中预计会出现相当大的数量，但在直接坍缩模型中则完全不存在。最后，黑洞形成模型的另一项有益诊断性特征在于双星合并中质量比的分布。重质量种子模型预测，大多数检测到的事件都涉及等质量双星；而在轻质量种子情况下，质量比在 0.1-1 的范围内均匀分布。