[論文レビュー] Hill sphere contraction at light-speed: Prompt electromagnetic emission from the merger of stellar mass black holes in an AGN accretion disk

Barry McKernan, K. E. Saavik Ford+8 more|arXiv (Cornell University)|Jul 8, 2019

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 3被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、活動銀河核（AGN）の降着円盤内における星質量ブラックホール合体が、光速で超相対論的に収縮するヒル球によって、気体の自己衝突を引き起こし、即時の電磁 flares（増光）を生成すると提案している。ヒル球の半径が円盤のスケール高さを超える場合、光行時距離スケールで紫外線増光が発生し、重力波信号の検出可能な電磁的対応となる可能性がある。

ABSTRACT

Accretion disks around supermassive black holes are promising sites for stellar mass black hole (BH) mergers due to mass segregation and merger acceleration by disk gas torques. At BH merger, a few percent of the mass is lost, generating gravitational waves detectable with Advanced LIGO and Advanced Virgo. The mass loss causes the merging system's sphere of influence, known as the Hill sphere (radius $R_H$), to contract at light speed, and gas within the Hill sphere will self-collide. Observational signatures will depend on how $R_H$ compares to the accretion disk height, $H$. If $R_{H}\geq H$, a UV flare emerges post-merger on timescale $R_{H}/c$. A thermalized disk hot spot alters the AGN optical/UV photometry and asymmetric broad emission line profiles can develop. If $R_{H}<H$, detectability depends strongly on the disk optical depth. Large optical sky surveys can be used now, during O3, to search for BH mergers in AGN disks. LIGO/Virgo triggers should include rough mass estimates to optimize follow-up.

研究の動機と目的

• 星質量ブラックホール合体がAGN降着円盤内で発生する電磁的対応を調査すること。
• 合体に伴う質量損失によって引き起こされるヒル球の急速収縮が、観測可能な電磁放射をどのように駆動するかを理解すること。
• 特に円盤の幾何学的構造と光学厚さとの関係において、その放射が検出可能となる条件を特定すること。
• 現在の大型スカイサーベイとLIGO/Virgoのトリガーを活用した、こうした増光を検出するための観測戦略を提案すること。

提案手法

• 合体後のヒル球半径 $ R_H $ が、質量損失に伴い光速 $ c $ で収縮するのをモデル化する。
• ヒル球半径 $ R_H $ を降着円盤のスケール高さ $ H $ と比較し、放射の性質を分類する：$ R_H \geq H $ と $ R_H < H $ の2つの状態に分ける。
• 増光の発生に要する時定数を $ R_H / c $ として計算し、これはヒル球の光行時距離に相当する。
• 自己衝突した気体が熱化して生じる高温スポットの検出可能性を評価し、非対称な広帯域発光線プロファイルの発生を検討する。
• 特に光学的厚さが高い状態では、$ R_H < H $ の場合に検出可能性がディスクの光学厚さに強く依存することを考慮する。
• LIGO/Virgo O3観測期間中に、大規模な光学スカイサーベイを用いてこうした増光を探索する戦略を提案し、重力波トリガーから得られる質量推定値を活用してフォローアップを最適化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光速で収縮するヒル球が、合体中の星質量ブラックホール系に起因して、どのような電磁的特徴を示すか？
• RQ2 ヒル球のサイズが降着円盤の高さ $ H $ よりも大きい・小さいという相対的関係が、発生する放射の性質と検出可能性にどのように影響を与えるか？
• RQ3 AGN円盤内でのブラックホール合体に続く紫外線増光が、どの程度の時定数で発生するか？
• RQ4 ヒル球の半径が円盤高さより小さい場合、どのような条件下で放射が観測可能となるか？特に、光学的厚さの影響を含めて。
• RQ5 現在および将来のスカイサーベイと重力波トリガーをどのように活用して、こうした電磁的対応を検出できるか？

主な発見

• $ R_H \geq H $ の場合、紫外線増光が $ R_H / c $ の時定数で発生し、これはヒル球の光行時距離に相当する。
• 自己衝突した気体が熱化して形成される高温スポットは、AGNの光学／紫外線光度に変化をもたらし、測定可能な特徴を提供する。
• 局所的で一時的な円盤ガスの加熱により、非対称な広帯域発光線プロファイルが形成される可能性がある。
• $ R_H < H $ の場合、検出可能性はディスクの光学厚さに強く依存し、特に光学的厚いディスクでは観測可能な放射が抑制される可能性がある。
• 大規模な光学スカイサーベイは、LIGO/VirgoのO3観測期間中にこうした増光を検出する有効な手段である。
• LIGO/Virgoのトリガーには、候補イベントの効率的フォローアップを可能にするために、質量の概算値を含めるべきである。