[論文レビュー] Hydrodynamical Evolution of Black-Hole Binaries Embedded in AGN Discs: II. Dependence on Equation of State, Binary Mass, and Separation Scales

Rixin Li, Dong Lai|arXiv (Cornell University)|Jul 3, 2022

Astrophysical Phenomena and Observations被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、活性銀河核（AGN）円盤内の星質量ブラックホール連星の軌道的進化と降着を、2次元流体力学的シミュレーションを用いて、状態方程式（EOS）、連星質量、分離距離の影響を調査する。非等温EOS（γ ≈ 1.6）は、より密度が高く、高温で、より乱流の強い連星周囲円盤を生じさせ、これにより軌道の減衰が速く、通常は質量倍加率の数倍の遷移率を示す。また、長期的進化には降着と重力的トルクの両方が不可欠であることが示された。

ABSTRACT

Stellar-mass binary black holes (BBHs) embedded in active galactic nucleus (AGN) discs offer a promising dynamical channel to produce black-hole mergers that are detectable by LIGO/Virgo. Modeling the interactions between the disc gas and the embedded BBHs is crucial to understand their orbital evolution. Using a suite of 2D high-resolution simulations of prograde equal-mass circular binaries in local disc models, we systematically study how their hydrodynamical evolution depends on the equation of state (EOS; including the $γ$-law and isothermal EOS) and on the binary mass and separation scales (relative to the supermassive BH mass and the Hill radius, respectively). We find that binaries accrete slower and contract in orbit if the EOS is far from isothermal such that the surrounding gas is diffuse, hot, and turbulent. The typical orbital decay rate is of the order of a few times the mass doubling rate. For a fixed EOS, the accretion flows are denser, hotter, and more turbulent around more massive or tighter binaries. The torque associated with accretion is often comparable to the gravitational torque, so both torques are essential in determining the long-term binary orbital evolution. We carry out additional simulations with non-accreting binaries and find that their orbital evolution can be stochastic and is sensitive to the gravitational softening length, and the secular orbital evolution can be very different from those of accreting binaries. Our results indicate that stellar-mass BBHs may be hardened efficiently under ideal conditions, namely less massive and wider binaries embedded in discs with a non-isothermal EOS.

研究の動機と目的

• 活性銀河核（AGN）円盤内に埋め込まれたブラックホール連星の流体力学的進化に、状態方程式（EOS）、連星質量、分離距離がどのように影響するかを理解すること。
• 降着流れの形状、熱力学的性質、トルクバランスが、次のような次元なしパラメータに依存する程度を特定すること：γ（EOS）、q/h³（円盤の熱的質量に対する質量比）、λ = RH/a_b（ヒル半径に対する分離距離）。
• 降着ありと降着なしの連星を比較し、長期間の軌道的進化における重力的ソフトニングの役割を評価すること。
• 広いパラメータ空間において、降着トルクと重力的トルクが連星軌道進化に果たす相対的寄与を定量化すること。
• LIGO/Virgoで検出可能な合体経路を示唆する、さまざまな円盤および連星条件下での連星硬化効率の体系的サーベイを提供すること。

提案手法

• AGN円盤内に埋め込まれた前向き、等質量、円軌道のブラックホール連星を模擬するため、共回転する局所的せん断ボックスモデルを用いた2次元高分解能流体力学的シミュレーション。
• 状態方程式（γ = 1.001 から 1.6 のγ則）および次元なしパラメータ（q/h³：連星質量の円盤の熱的質量に対する相対比、λ = RH/a_b：ヒル半径に対する分離距離）を体系的に変化させる。
• 連星周囲円盤（CSD）構造および降着流れを解像するため、約0.1%のヒル半径までの洗練されたグリッド解像度を用いる。
• 時間平均降着率、軌道減衰率、およびトルク（重力的、降着的、圧力駆動型）を計算し、連星進化に与える相対的寄与を評価する。
• 質量降着の有無にかかわらず、降着ありと降着なしの連星を比較し、質量降着の役割を隔離し、重力的ソフトニング長さへの感受性をテストする。
• 流れの形状、温度、乱流、非対称性を分析し、構造的特徴とトルク・移動行動との関連を明らかにする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 星質量ブラックホール連星の周囲円盤（CSD）における状態方程式（γ）は、AGN円盤内での構造的性質および降着特性にどのように影響するか？
• RQ2 連星質量（q/h³）および分離距離（λ = RH/a_b）は、CSDの降着率、温度、乱流にどのように影響するか？
• RQ3 長期的軌道的進化を決定づける要因として、重力的トルクと降着トルクの相対的重要性は何か？
• RQ4 降着なしの連星の軌道的進化は、降着ありの連星とどのように異なるか？また、重力的ソフトニング長さはどのような役割を果たすか？
• RQ5 どのような条件下（パラメータ空間内）で、効率的な連星硬化が最も起こりやすいか？

主な発見

• γ = 1.6（非等温）の場合、連星周囲円盤はより密度が高く、高温で、より乱流的であり、通常は質量倍加率の数倍の遷移率を示すため、より速い軌道減衰が生じる。
• γ = 1.001 または等温の場合、重力的トルクが弱く、角運動量の効率的抽出が不十分なため、連星は拡張する。これは、非等温EOSが硬化を促進することを示唆する。
• パラメータ空間の大部分において、降着トルクの大きさは重力的トルクと同等であり、正確な軌道的進化モデル化には両方のトルクが不可欠であることを示している。
• 連星周囲円盤は、γ、q/h³、λが増加するにつれて、より質量が多く、より高温で、より乱流的になる。時間平均降着率⟨ṁ_b⟩はγの増加とともに減少し、q/h³の増加とともに増加する。
• 降着なしの連星では、CSDではなく、密度が高く、圧力で支えられる塊が形成され、軌道的進化は確率的になり、特に中程度のγにおいて重力的ソフトニング長さに強く依存するようになる。
• 重力的トルク⟨L_b,grav⟩はγの増加とともに減少し、q/h³およびλの増加とともに増加する。これは、降着および円盤構造の傾向と一致しており、同じ物理的駆動要因に一貫した依存関係があることを示している。