[論文レビュー] Extreme mass ratio inspirals triggered by massive black hole binaries: from relativistic dynamics to cosmological rates

Lodato, G.|arXiv (Cornell University)|Oct 1, 2022

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 69被引用数 23

ひとこと要約

本稿は、銀河合体に続く質量関係が大きいブラックホール二重星（MBHB）によって引き起こされる極端質量比降下（EMRI）を、相対論的3体シミュレーションを用いて調査する。EMRI形成は長期間にわたる緩徐な力学的過程と、混沌とした力学的過程の両方を経て発生する。その結果、標準的な2体間緩和による場合に比べて10–100倍高いレートで、急激なバーストとしてEMRIが形成されることが判明。LISAで検出可能なEMRIは年間約O(10)個に達する予測である。

ABSTRACT

Extreme mass ratio inspirals (EMRIs) are compact binary systems characterized by a mass-ratio $q=m/M$ in the range $~10^{-9}-10^{-4}$ and represent primary gravitational wave (GW) sources for the forthcoming Laser Interferometer Space Antenna (LISA). While their standard formation channel involves relaxation processes deflecting compact objects on very low angular momentum orbits around the central massive black hole, a number of alternative formation channels has been proposed, including binary tidal break-up, migration in accretion disks and secular and chaotic dynamics around a massive black hole binary (MBHB). In this work, we take an extensive closer look at this latter scenario, investigating how EMRIs can be triggered by a MBHBs, formed in the aftermath of galaxy mergers. By employing a suite of relativistic three-body simulations, we evaluate the efficiency of EMRI formation for different parameters of the MBHB, assessing the importance of both secular and chaotic dynamics. By modelling the distribution of compact objects in galaxy nuclei, we estimate the resulting EMRI formation rate, finding that EMRI are produced in a sharp burst, with peak rates that are 10-100 times higher than the standard two-body relaxation channel, lasting for 10$^6$--10$^8$ years. By coupling our results with an estimate of the cosmic MBHB merger rate, we finally forecast that LISA could observe ${\cal O}(10)$ EMRIs per year formed by this channel.

研究の動機と目的

• 銀河核における質量関係が大きいブラックホール二重星（MBHB）によって引き起こされるEMRI形成を調査すること。
• EMRI生成に寄与する主な要因としての緩徐（例えば、リドフ＝コザイ）および混沌とした力学的過程の相対的寄与を評価すること。
• MBHBによって引き起こされる宇宙論的EMRI形成レートを推定し、LISAの検出レートを予測すること。
• 星の密度プロファイルや摂動の不確実性に対する結果の頑健性を評価すること。
• MBHBによって引き起こされたEMRIが、電磁的対応物が存在しない状況でも識別可能な特徴的な性質を有するかどうかを検討すること。

提案手法

• 相対論的重力場下で、星のブラックホール（CO）と質量関係が大きいブラックホール二重星（MBHB）の間の相対論的3体シミュレーションを実施。
• 中心部の星のクラスタを模倣するため、簡略化された解析的星のポテンシャル（SISに類似）を用い、ニュートン的進化を含めた。
• MBHBのパラメータ（質量比𝑞、全質量、分離距離）を変化させ、EMRI形成効率への影響を評価。
• 銀河核におけるコンパクトオブジェクトの分布をモデル化し、半解析的宇宙論的モデル（L-Galaxies）を用いてEMRIレートをスケーリング。
• 信号対雑音比とLISAによる検出可能性を推定するため、簡略化されたクラッジ波形モデル（Barack & Cutler 2004）を適用。
• 星のポテンシャルを除去することで感度テストを実施し、LK振動およびEMRIレートに与える影響を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 質量関係が大きいブラックホール二重星（MBHB）は、緩徐および混沌とした力学的過程を経て、どの程度効率的にEMRIを形成できるか？
• RQ2 MBHBによって引き起こされる宇宙論的EMRI形成レートは、標準的な2体間緩和メカニズムと比較してどの程度か？
• RQ3 MBHBのパラメータ（質量比、全質量、分離距離）は、EMRI生成レートにどのように影響を与えるか？
• RQ4 MBHBによって引き起こされたEMRIは、標準的な緩和経路で生成されたものと区別可能であり、電磁的対応物が存在しない状況でも同定可能か？
• RQ5 この経路からLISAミッションが年間でどの程度の検出可能なEMRIを期待できるか？

主な発見

• MBHBによって引き起こされるEMRI形成は、10⁶–10⁸年間の急激なバーストとして発生し、ピークレートは標準的な2体間緩和経路に比べて10–100倍高い。
• MBHBによって引き起こされるEMRIレートは、大多数の系で混沌とした相互作用が支配的であり、特に質量比が高い場合に顕著である。一方、緩徐なリドフ＝コザイ振動は、低質量比の二重星においてのみ顕著な寄与を示す。
• L-Galaxiesモデルによる標準的なMBHB合体レートを仮定した場合、MBHB経路による宇宙論的EMRI形成レートは、LISAで検出可能な年間約O(10)イベントに達する。
• 星のポテンシャルの不確実性に対しても結果は頑健である。密度プロファイルがより急峻であっても、LK振動は大多数の系で劣勢であり、EMRIレートへの影響は最小限にとどまる。
• 近接する星の遭遇による確率的摂動を無視すると、レートがわずかに低く見積もられる可能性がある（最大で約2倍程度の低減）。しかし、全体的な寄与は依然として顕著である。
• MBHBによって引き起こされたEMRIは、特徴的な波形および軌道的性質を有する可能性が高く、電磁的対応物が存在しない状況でもMBHB集団を同定するための有望な道筋を提供する。