[論文レビュー] Binary Black Hole Merger Rates in AGN Disks versus Nuclear Star Clusters: Loud beats Quiet

K. E. Saavik Ford, Barry McKernan|arXiv (Cornell University)|Sep 7, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、活発な銀河核（AGN）の円盤における二重ブラックホール（BBH）合体率が、静穏な核集合星団（NSC）よりも顕著に高いことを示している。これは主にAGNにおける急速な硬化が、BBHの寿命を硬-軟境界以下に短縮させるためであり、NSCではイオン化によって寿命が延びるのとは対照的である。著者らは、AGNがLIGO-Virgoが測定したBBH合体率の25%〜80%を占め得ると推定しており、高世代の階層的合体が、深いポテンシャル井戸におけるAGN起源を特徴付ける独自の tracer となる。

ABSTRACT

Galactic nuclei are promising sites for stellar origin black hole (BH) mergers, as part of merger hierarchies in deep potential wells. We show that binary black hole (BBH) merger rates in active galactic nuclei (AGN) should always exceed merger rates in quiescent galactic nuclei (nuclear star clusters, NSCs) around supermassive BHs (SMBHs) without accretion disks. This is primarily due to average binary lifetimes in AGN that are significantly shorter than in NSCs. The lifetime difference comes from rapid hardening of BBHs in AGN, such that their semi-major axes are smaller than the hard-soft boundary of their parent NSC; this contrasts with the large average lifetime to merger for BBHs in NSCs around SMBHs, due to binary ionization mechanisms. Secondarily, merger rates in AGNs are enhanced by gas-driven binary formation mechanisms. Formation of new BHs in AGN disks are a minor contributor to the rate differences. With the gravitational wave detection of several BBHs with at least one progenitor in the upper mass gap, and signatures of dynamical formation channels in the $χ_{ m eff}$ distribution, we argue that AGN could contribute $\sim 25\%-80\%$ of the LIGO-Virgo measured rate of $\sim 24 m{Gpc}^{-3} m{yr}^{-1}$.

研究の動機と目的

• 超大質量ブラックホール（SMBH）の周囲におけるAGN円盤と静穏な核集合星団（NSC）におけるBBH合体率を比較すること。
• AGNとNSC環境間の合体率差を引き起こす主な物理的メカニズムを特定すること。
• 特に階層的合体を通じて、AGNが観測されたLIGO-VirgoのBBH合体率にどの程度寄与しているかを評価すること。
• ガス駆動形成およびイオン化プロセスが、合体率の差をどのように形作っているかを評価すること。

提案手法

• ガス駆動硬化と動力学的摩擦を用いて、AGN円盤内でのBBH進化をモデル化し、合体 timescale を計算する。
• ガスが乏しいNSCにおけるイオン化が支配的で寿命が延びるのと比較し、それらの timescale を分析する。
• モンテカルロシミュレーションを用いて、ガス密度や円盤寿命を含むさまざまなAGNおよびNSCの条件下での合体率を推定する。
• AGN円盤内での二重BH形成メカニズム、特にガス降着からの局所的BH形成を組み込む。
• 階層的合体の質量・スピン・離心率分布を分析し、AGN特有の特徴を特定する。
• 特に階層的合体率を制約として用い、LIGO-Virgo観測からの制約をもとに、AGN由来のBBH合体の割合を補正する。

Figure 1: Relative rate densities of BBH mergers in active versus quiescent galactic nuclei. For nuclei containing an SMBH, assuming $f_{A,b}/f_{G,b}=1$ , $t_{G,b}=40{\rm Gyr}$ , $t_{A,b}=1{\rm Myr}$ , we find that almost regardless of the fraction of galactic nuclei that are involved in acceleratin

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 AGN円盤と静穏なNSCにおけるBBH合体率の差を引き起こす要因は何ですか？
• RQ2 なぜAGNではNSCと比べてBBHの寿命が顕著に短いのですか？
• RQ3 AGNにおけるガス駆動形成メカニズムが、合体率差にどの程度寄与していますか？
• RQ4 高世代の階層的合体は、AGNがBBH合体の起源であることを独自に特定する手がかりになりますか？
• RQ5 現在のデータに基づき、観測されたLIGO-VirgoのBBH合体率の何パーセントがAGN由来とされるでしょうか？

主な発見

• AGN円盤内でのBBH合体率は、常に静穏なNSCよりも高い。これは、半長径を硬-軟境界以下にまで短縮する急速な硬化による。
• この合体率差の主な要因は、密度の高いガス円盤における効率的な硬化によって引き起こされる、AGN内での平均BBH寿命の短縮である。
• 二次的要因として、ガス駆動による二重BH形成がAGN内で見られるが、これは合体率差の全体的寄与率においてわずかにとどまる。
• AGNは、約24 Gpc⁻³ yr⁻¹のLIGO-Virgoが測定したBBH合体率の25%〜80%を占め得る。
• 高世代の階層的合体（n > 3）は、初期BHスピンがほぼゼロの場合、AGN由来を独自に示す。スピンがやや高い場合や離心率が存在する場合は、n > 2 または n > 1 がその特徴となる。
• BBH合体に最も貢献するAGNは、短い寿命（<5 Myr）かつ高いガス密度（>10⁻¹¹ g cm⁻³）を持つものであり、LISAで検出可能な中間質量BH-SMBH二重系の形成を制限する。