[論文レビュー] Formation of massive stars and black holes in self-gravitating AGN discs, and gravitational waves in LISA band

Y. Levin|arXiv (Cornell University)|Jul 4, 2003

Astrophysical Phenomena and Observations被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、活発な銀河核（AGN）の周囲に存在する自己重力的降着円盤において、円盤の破壊がクラスター形成を引き起こし、それらが合体して数十から数百太陽質量の星へと崩壊することで、巨大星およびブラックホールが形成されることを提案している。これらの星は恒星質量ブラックホールに進化し、中心の超大質量ブラックホールへとスパイラルして入り込み、LISA帯の検出可能な重力波バーストを発生させる。この信号は特徴的な波形を示し、光学的対応物が存在する可能性がある。

ABSTRACT

We propose a scenario in which massive stars form at the outer edges of an AGN accretion disc. We analyze the dynamics of a disc forming around a supermassive black hole, in which the angular momentum is transported by turbulence induced by the disc's self-gravity. We find that once the surface density of the disc exceeds a critical value, the disc fragments into dense clumps. The biggest clumps collapse and form massive stars, which produce few-tens-solar-mass black holes at the end of their evolution. The embedded black holes will interact gravitationally with the massive accretion disc and be dragged towards the central black hole. Merger of a disc-born black hole with the central black hole will produce a burst of gravitational waves. If the central black hole is accreting at a rate comparable to the Eddington limit, the gas drag from the accretion disc will not alter significantly the dynamics of the final year of merger, and the gravitational waves should be observable by LISA. We argue that for a reasonable range of parameters such mergers will be detected monthly, and that the gravitational-wave signal from these mergers is distinct from that of other merger scenarios. Also, for some plausible black hole masses and accretion rates, the burst of gravitational waves should be accompanied by a detectable change in the optical luminosity of the central engine.

研究の動機と目的

• AGNの中心に存在する超大質量ブラックホールの周囲における自己重力的降着円盤内での巨大星およびブラックホールの形成を調査すること。
• 円盤の自己重力および乱流が、破壊およびクラスター形成を引き起こす役割を分析すること。
• 降着加熱による埋め込まれたブラックホールのフィードバック効果が、円盤安定性に与える影響を評価すること。
• 円盤由来の恒星質量ブラックホールと中心ブラックホールの合体から生じる重力波信号をモデル化し、LISAによる検出可能性を焦点にすること。
• 中心ブラックホール付近での円盤ギャップ形成に起因する、重力波バーストに伴う光学的対応物の可能性を検討すること。

提案手法

• 表面密度、温度、スケールヘイツの閾値を含む、円盤破壊の臨界条件を計算するための半解析的形式を用いる。
• 自己重力的円盤が密度の高いクラスターに破壊する条件を特定するため、Toomre安定性基準を適用する。
• Gammie (2001)のシミュレーションを基盤として、自己重力が誘発する乱流による角運動量輸送をモデル化する。
• 効率的なクラスターの合体を仮定して、合体したクラスターの上限質量を降着および合体ダイナミクスから推定する。
• 埋め込まれたブラックホールへの降着からのフィードバック加熱を組み込み、Bondi降着率と準Eddington降着シナリオを比較する。
• 質量降着歴と体積をスケーリングすることで、LISAの月間合体率を推定するための簡易モデルを構築する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 自己重力的AGN降着円盤は、数十から数百太陽質量の星を形成するような巨大クラスターに破壊可能か？
• RQ2 埋め込まれたブラックホールの降着フィードバックは、自己重力的円盤の安定性にどのように影響するか？
• RQ3 円盤由来の恒星質量ブラックホールと中心の超大質量ブラックホールの合体から生じる重力波信号の予想される波形は何か？また、LISAで検出可能か？
• RQ4 円盤相互作用によって、円盤由来ブラックホールのスパイラルインが円形軌道に整列可能か？その結果、明確にモデル化可能な重力波信号が得られるか？
• RQ5 中心ブラックホール付近での円盤ギャップ形成に起因して、重力波バーストに光学的対応物が存在する可能性はあるか？

主な発見

• 表面密度が臨界閾値を超えると円盤が破壊され、クラスターへの降着および合体が進行し、数十から数百太陽質量の天体が形成される。
• 合体したクラスターの上限質量は動的時効および重力不安定性によって制限され、非常に巨大星の形成が示唆される。
• 恒星質量ブラックホールは、巨大星の進化の最終段階として形成され、数10太陽質量程度の質量をとる。
• 埋め込まれたブラックホールがBondi率で降着する場合、そのフィードバックはToomre不安定性に対して円盤を安定化させる可能性があるが、そうでない場合は円盤は不安定のままである。
• 合体から生じる重力波信号はLISAで検出可能であり、妥当なパラメータ条件下では年間約10件の高いイベントレートが予想される。
• 一部の状況では、降下中のブラックホールが円盤にギャップを形成し、重力波バーストに伴う検出可能な光学的対応物を生じさせる可能性がある。