用多频引力波观测揭示早期黑洞增长

第三代地基引力波干涉仪，如爱因斯坦望远镜（ET）、宇宙探索者（CE）和激光干涉空间天线（LISA），将探测跨越宽质量谱和所有宇宙时期的并合双黑洞。我们利用一个关于 $z=6.4$、2 和 $0.2$ 处类星体形成的半解析模型来追踪最早的光种子与重种子在迅速转入超大质量域过程中的宇宙学增长，其中我们追踪由三体相互作用驱动的黑洞并合。我们发现若干 $10^2$ M$_\odot$ 的光种子双星在 $6<z<15$ 可被ET以 $10-20$ 的信噪比（$S/N$）探测到。随后它们增长至若干 $10^4$ M$_\odot$ 时以更大的 $S/N$ 进入LISA域。探测到它们的引力信号将首次提供证据，表明光种子在星系并合过程中形成、增长并动力学配对。类似质量和红移的吸积黑洞的电磁发射过于微弱，即便对最深的未来设施也无法探测。ET将是我们发现宇宙黎明时期形成光种子的唯一机会。在 $2<z<8$，我们预言一群“饥饿双星”——长寿、边际增长的光种子对——将成为ET带宽内响亮的源（$S/N>20$）。涉及重种子（$\sim 10^5 M_\odot - 10^6 M_\odot$）的并合在LISA频域可达 $z=20$。低红移模型整体预言每年 11.25(18.7) 次 ET(LISA) 事件。