[論文レビュー] Dynamics and spin alignment in massive, gravito-turbulent circumbinary discs around supermassive black hole binaries

Martin A. Bourne, Davide Fiacconi+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 28, 2023

Astrophysical Phenomena and Observations被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、超大質量連星ブラックホールの周囲で、超ラグランジュ的リファインメントと小スケールシャクゥラ＝スニエーヴィンディスクモデルを用いて、自己一貫的にブラックホール質量およびスピンの進化を追跡する、質量が大きく重力不安定性を示す環連星円盤（CBD）の3次元流体力学的シミュレーションを実施した。先行研究とは異なり、第二のブラックホールへの好転的降着は認められず、質量比は一定のままであり、重力波背景が弱まる傾向にある。一方、スピンの整列は、低質量比系であっても、急速に進行するが、混沌とした降着状況では、ずれたミニディスクが整列を妨げる可能性がある。

ABSTRACT

Parsec-scale separation supermassive black hole binaries in the centre of gas-rich galaxy merger remnants could be surrounded by massive circumbinary discs (CBDs). Black hole mass and spin evolution during the gas-rich binary inspiral are crucial in determining the direction and power of relativistic jets that radio observations with LOFAR and SKAO will probe, and for predicting gravitational wave (GW) emission that IPTA and LISA will measure. We present 3D hydrodynamic simulations capturing gas-rich, self-gravitating CBDs around a $2 imes 10^6$ M$_{\odot}$ supermassive black hole binary, that probe different mass ratios, eccentricities and inclinations. We employ a sub-grid Shakura-Sunyaev accretion disc to self-consistently model black hole mass and spin evolution together with super-Lagrangian refinement techniques to resolve gas flows, streams and mini-discs within the cavity, which play a fundamental role in torquing and feeding the binary. We find that higher mass ratio and eccentric binaries result in larger cavities, while retrograde binaries result in smaller cavities. All of the simulated binaries are expected to shrink with net gravitational torques being negative. Unlike previous simulations, we do not find preferential accretion onto the secondary black hole. This implies smaller chirp masses at coalescence and hence a weaker GW background. Critically this means that spin-alignment is faster than the binary inspiral timescale even for low mass ratios. When considering initially misaligned systems, the orientation of the mini-discs around each black hole can vary significantly. We discuss the implications of this behaviour for black hole spin alignment and highlight the need for broader parameter space studies of misaligned systems to understand the impact on black hole recoil velocities.

研究の動機と目的

• 銀河合体のガス豊富な段階における、質量が大きく自己重力効果を示す環連星円盤（CBD）内での超大質量連星ブラックホールの力学的挙動およびスピン進化を理解すること。
• 連星質量比、離心率、および傾きがCBD内のキャビティ構造、ガスの流入、降着パターンに与える影響を調査すること。
• 先行研究が示唆するように、降着が第二のブラックホールに好転的であるかどうかを特定し、チルプ質量および重力波放射に与える影響を評価すること。
• 特にずれた状態にある系において、ブラックホールスピンの整列に要する時間スケールを連星の近接化時間スケールと比較し、その結果、反動速度および宿主銀河のずれに与える影響を評価すること。
• ミニディスクおよび流れのダイナミクスが、ブラックホールスピンのトルクに与える役割と、長期的な連星進化に与える影響を評価すること。

提案手法

• アダプティブメッシュリファインメントコードを用いた3次元流体力学的シミュレーションであり、ガスの流れ、流れ、ミニディスクを高分解能で解明するため、超ラグランジュ的リファインメントを採用した。
• 粘性トルクによるブラックホール質量およびスピンの自己一貫的進化を実現するため、小スケールシャクゥラ＝スニエーヴィンディスク降着モデルを組み込んだ。
• ガスの熱力学的挙動をモデル化し、ディスクの安定性を維持するため、緩やかなβ冷却を伴う断熱状態方程式を用いた。
• 連星パラメータを体系的に変化させた：質量比（q = 1, 1/3, 1/10）、離心率（e = 0, 0.5）、傾き（i = 0°, 45°, 180°）を含む12のシミュレーション設定。
• 連星に働く重力的トルクを、半径a未満（R < a）およびa超過（R > a）のガスから評価し、ネットインスピレーションレートを決定した。
• ミニディスクの形成、サイズ、および連星インスピレーション時間スケールに対する整列時間スケールを分析し、スピン進化の評価を行った。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 質量が大きく重力不安定性を示す環連星円盤において、一部の先行モデルが予測するように、降着が第二のブラックホールに好転的であるのか？
• RQ2 連星質量比、離心率、および傾きが、環連星キャビティのサイズおよび構造、ガスの流入に与える影響は何か？
• RQ3 連星に働くネット重力的トルクは何か？ そして、インスピレーション時間スケールに与える影響は？
• RQ4 ブラックホールスピンは、システム全体の角運動量とどれほど速く整列するのか？ また、初期にずれた状態にある場合でも、整列は保証されるのか？
• RQ5 ずれたミニディスクが、ブラックホールスピン進化および合体後の反動速度に与える影響は何か？

主な発見

• 高質量比および離心率の高い連星では、大きな環連星キャビティが形成されるが、逆進的連星では、ガスのトルクが強く作用し、より小さなキャビティが形成される。
• すべての設定において、連星に働く重力的トルクは負であり、インスピレーションを駆動する。低質量比および逆進的連星では、より急速に収縮する。
• 降着が第二のブラックホールに好転的でない。質量比は概ね一定のままであり、合体時のチルプ質量が低く、重力波背景が弱まる傾向にある。
• ミニディスクからの効率的なトルク作用により、低質量比系であっても、ブラックホールスピンの整列は連星インスピレーション時間スケールと同等またはそれより短い時間スケールで進行する。
• 初期にずれた状態にある系では、ミニディスクは速やかに整列せず、合体時にブラックホールスピンがずれたまま残る可能性があり、大きな反動速度および銀河のずれを引き起こすリスクが高まる。
• 第二のブラックホールへの好転的降着が認められないのは、断熱状態方程式、緩やかなβ冷却、低粘性、および従来のシンク粒子降着モデルとは異なる点に起因する。