[論文レビュー] Busting Up Binaries: Encounters Between Compact Binaries and a Supermassive Black Hole

Eric Addison, Pablo Laguna+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 26, 2015

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、銀河核における恒星質量ブラックホール二重星と超大質量ブラックホール（SMBH）の間の1300万件以上の放物線的接近をシミュレーションし、そのうち16%が潮汐破壊を引き起こし、非常に質量比が大きい円錐的降下（EMRI）を形成する。これらのEMRIは初期に高い離心率（約0.97）を示し、LISA帯に到達する前に大きく円形化する。生存した二重星はさらに硬くなり、離心率が増加することで重力波放射による合体が加速され、予測されるブラックホール二重星合体率が最大1%上昇する。

ABSTRACT

Given the stellar density near the galactic center, close encounters between compact object binaries and the supermassive black hole are a plausible occurrence. We present results from a numerical study of close to 13 million such encounters. Consistent with previous studies, we corroborate that, for binary systems tidally disrupted by the black hole, the component of the binary remaining bound to the hole has eccentricity ~ 0.97 and circularizes dramatically by the time it enters the classical LISA band. Our results also show that the population of surviving binaries merits attention. These binary systems experience perturbations to their internal orbital parameters with potentially interesting observational consequences. We investigated the regions of parameter space for survival and estimated the distribution of orbital parameters post-encounter. We found that surviving binaries harden and their eccentricity increases, thus accelerating their merger due gravitational radiation emission and increasing the predicted merger rates by up to 1%.

研究の動機と目的

• 銀河核における恒星質量ブラックホール二重星と超大質量ブラックホール（SMBH）の接近結果を調査すること。
• 潮汐破壊を避けた二重星の割合と、それらの軌道パラメータに及ぼされる変化を特定すること。
• これらの接近が、地上型検出器（LIGOなど）を想定した、恒星質量ブラックホール二重星の重力波合体率に与える影響を評価すること。
• 従来の研究を拡張し、共面または固定方向に限定されない、より広範な二重星の向きと近点距離の範囲を探索すること。

提案手法

• 等質量の初期円軌道を持つコンパクト物体二重星と超大質量ブラックホール（SMBH）の間の放物線的接近を、数値的N体シミュレーションで行う。
• SMBHの軌道に対して二重星の軌道角運動量の向きと近点距離 $ r_p $ を体系的に変化させる。
• 時間的・距離的スケールが妥当であるため、大部分のケースで相対論的補正を省き、ニュートン力学を用いる。
• エネルギーと角運動量の分析により、結果を分類：潮汐破壊、束縛残渣（BEMRI）、非束縛二重星。
• 重力波放射による二重星の崩壊を表すペターズの公式を用いて、接近後の重力波合体までの時間を計算する。
• 接近頻度、生存割合、合体時間の短縮を組み合わせることで、観測可能な合体率の増加を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コンパクト物体二重星が超大質量ブラックホールに近接した際、何パーセントが生存し、その生存後の軌道の統計的性質は何か？
• RQ2 超大質量ブラックホールとの接近が、生存した二重星の離心率と半長径に与える影響は何か？ そして、それらが重力波合体までの時間に与える影響は？
• RQ3 これらの接近が、LIGOのような地上型重力波検出器の観測可能なブラックホール二重星合体率に、どの程度向上効果をもたらすか？
• RQ4 異なる二重星の向きに応じて、EMRI形成時の離心率分布はどのように変化するか？ これまの研究と比較するとどうなるか？

主な発見

• 探索した全パラメータ空間において、コンパクト物体二重星が超大質量ブラックホールによって潮汐破壊される確率は約16%である。
• 潮汐破壊によって形成される束縛成分（EMRI）の初期離心率は約0.97であり、LISA帯に到達する前に著しく円形化する。
• 生存した二重星は硬くなり、離心率が増加し、重力波放射による合体までの時間が平均で最大16%短縮される。平均の後続寿命は $ \tilde{\tau} \approx 0.84\tau_0 $ である。
• 接近後にLIGOで検出可能とされる生存二重星の割合は、その合体時間に基づき $ f_L \approx 0.68 $ と推定される。
• aLIGOの観測体積におけるブラックホール二重星合体率への接近由来の増加は $ \mathcal{E}_{CBC} \approx 0.25 \, \text{yr}^{-1} $、つまり予測される合体率の最大1%に相当する。
• ベースラインの合体率に不確実性があるため、小規模なデータセットでは検出が困難であるが、長期間の観測では統計的に有意な結果となる可能性がある。