[論文レビュー] Gas Assisted Binary Black Hole Formation in AGN Discs

Henry Whitehead, Connar Rowan+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 20, 2023

Astrophysical Phenomena and Observations被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、せん断ボックス内での345個の高解像度2D等温粘性流体力学シミュレーションを用いて、AGNディスクにおけるガス支援捕獲と二重ブラックホール形成を研究し、半解析モデル用の捕獲規程を導出する。

ABSTRACT

We investigate close encounters by stellar mass black holes (BHs) in the gaseous discs of active galactic nuclei (AGN) as a potential formation channel of binary black holes (BBHs). We perform a series of 2D isothermal viscous hydrodynamical simulations within a shearing box prescription using the Eulerian grid code Athena++. We co-evolve the embedded BHs with the gas keeping track of the energetic dissipation and torquing of the BBH by gas gravitation and inertial forces. To probe the dependence of capture on the initial conditions, we discuss a suite of 345 simulations spanning local AGN disc density ($ρ_0$) and impact parameter ($b$) space. We identify a clear region in $b - ρ_0$ space where gas assisted BBH capture is efficient. We find that the presence of gas leads to strong energetic dissipation during close encounters between unbound BHs, forming stably bound eccentric BBHs. We find that the gas dissipation during close encounters increases for systems with increased disc density and deeper periapsis passages $r_p$, fitting a power law such that $ΔE \propto ρ_0^αr_p^β$ where $\{α,β\} = \{1.01\pm0.04,-0.43\pm0.03\}$. Alternatively, the gas dissipation is approximately $ΔE = 4.3 M_ ext{d} v_ ext{H} v_p$, where $M_ ext{d} $ is the mass of a single BH minidisc just prior to the encounter when the binary separation is $2r_ ext{H}$ (two binary Hill radii), $v_ ext{H}$ and $v_p$ are the relative BH velocities at $2r_ ext{H}$ and at the first closest approach, respectively. We derive a prescription for capture which can be used in semi-analytical models of AGN. We do not find the dissipative dynamics observed in these systems to be in agreement with the simple gas dynamical friction models often used in the literature.

研究の動機と目的

• AGNディスク内のガスが近接遭遇時の結합BBHの捕獲と形成を促進できるかを調査する。
• 遭遇時のガス散逸が局所ディスク密度と遭遇幾何（近点）にどのように依存するかを定量化する。
• 初期パラメータ空間の領域（b, ρ0）でガス支援捕獲が効率的である region を特定する。
• 半解析モデルで使用できる捕獲規程を導出する。
• ガス駆動の散逸機構を単純なガス動力学的摩擦モデルと比較し、モデリングへの示唆を評価する。

提案手法

• 中心 SMBH を囲むせん断ボックス内で Athena++ を用いた2D等温粘性流体力学シミュレーションを実行する。
• 形成中ミニディスクを持つ等質量の2つのBHを埋め込み、ガス誘起の進化を追跡する。
• 周囲ディスク密度 ρ0 と初期衝突パラメータ b を変えた345個のシミュレーションのグリッドを探索する。
• ミニディスクと近接遭遇を解像するためにHill半径あたり少なくとも500セル以上を達成する適応メッシュ refinement を適用する。
• 散逸診断子項（epsilon_SMBH と epsilon_gas）とトルクを計算し、エネルギーと角運動量の交換を定量化する。
• 半解析BBH形成モデルへ供給できるエネルギー散逸の拡張則と捕獲判定を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 BHの遭遇時にガス散逸が十分なエネルギーを失わせて結合BBHを形成できる条件は何か。
• RQ2 ガス散逸はディスク密度と遭遇の近点 (periapsis) によってどのようにスケールするか、b-ρ0空間のどこで捕獲が最も効率的か。
• RQ3 半解析モデルや母集団合成モデルで使用できる頑健で移植可能な捕獲規程を導出できるか。
• RQ4 これらの遭遇におけるガスダイナミクスは、文献でよく用いられる単純なガス動力学的摩擦予想とどのように比較されるか。
• RQ5 形成されるBBHの特性（離心率、Hillエネルギー）と、ガストルクによる以後の進化はどうなるか。

主な発見

• ガスは近接遭遇時に強いエネルギー散逸を引き起こし、安定に結合した離心軌道を持つBBHを形成する。
• 散逸は ΔE ∝ ρ0^α r_p^β の関係であり、{α,β} = {1.01 ± 0.04, −0.43 ± 0.03}。
• 代替散逸規程は ΔE = 4.3 M_d v_H v_p（M_d は遭遇前のミニディスク質量、v_H, v_p はそれぞれ2r_Hと最初の最接近時の相対BH速度）として表される。
• 捕獲は初期の b–ρ0 パラメータ空間の特定領域内でのみ効率的である。
• 初期近点時のガス散逸が硬化に対して主要な寄与をし、それに続く通過では散逸は弱くなる。
• 観測される散逸動力学は、文献で頻繁に用いられる単純なガス動力学的摩擦モデルと完全には一致しない。