[論文レビュー] Lecture notes on black hole binary astrophysics

Marco Celoria, Roberto Oliveri+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 30, 2018

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 101被引用数 18

ひとこと要約

本論文は、星間質量、中間質量、超大質量スケールにおけるブラックホール二重星（BHB）の形成と進化について、包括的で教育的な概説を提供する。主な天体物理学的メカニズムとして、共通エンvelope進化、星団内の動的硬化、および円周二重星ディスクにおけるガス駆動型接近を詳述し、BHBの形成と合体レートを支配するものとして、ガスを豊富に含む環境が、1億年未塔で重力波放射効率に達するまでに質量の大きなブラックホール二重星を縮小させることを示している。

ABSTRACT

We describe some key astrophysical processes driving the formation and evolution of black hole binaries of different nature, from stellar-mass to supermassive systems. In the first part, we focus on the mainstream channels proposed for the formation of stellar mass binaries relevant to ground-based gravitational wave detectors, namely the {\it field} and the {\it dynamical} scenarios. For the field scenario, we highlight the relevant steps in the evolution of the binary, including mass transfer, supernovae explosions and kicks, common envelope and gravitational wave emission. For the dynamical scenario, we describe the main physical processes involved in the formation of star clusters and the segregation of black holes in their centres. We then identify the dynamical processes leading to binary formation, including three-body capture, exchanges and hardening. The second part of the notes is devoted to massive black hole formation and evolution, including the physics leading to mass accretion and binary formation. Throughout the notes, we provide several step-by-step pedagogical derivations, that should be particularly suited to undergraduates and PhD students, but also to gravitational wave physicists interested in approaching the subject of gravitational wave sources from an astrophysical perspective.

研究の動機と目的

• 星間質量から超大質量スケールにわたるブラックホール二重星（BHB）の形成に至る天体物理学的経路を理解するための教育的基盤を提供すること。
• 星間質量BHBの主な形成チャネルを説明すること、特にフィールド進化と星団内の動的プロセスを含む。
• 合体後における質量の大きなブラックホール二重星（MBHB）の縮小に寄与するガス降着と重力波放射の役割を分析すること。
• 物理的モデルと段階的導出を用いて、BHBの合体レートと時定数を定量化すること。
• 天体物理学的源モデルと重力波検出の可能性を結びつけること、特にLISAと地上型検出器を対象とする。

提案手法

• Fokker-Planck近似を用いて、星団内の二体相互作用の時定数を導出し、星団進化をモデル化する。
• Jeans質量基準と雲の破壊を用いて、初期星団形成をモデル化する。
• 重力波放射とガストルクからのエネルギー収支を用いて、三体相互作用による二重星の硬化をモデル化する。
• Bondi降着モデルとEddington限界を用いて、円周二重星ディスク内での質量降着レートを推定する。
• 角運動量損失が二重星の縮小を引き起こす仕組みをトルクバランス方程式を用いて示す：$ \frac{dL}{dt} = -\dot{m} \sqrt{G M r_{\text{gap}}} $。
• ガス降着による二重星間隔の時間変化率を導出し、$ \frac{da}{a} = -\frac{dM}{M} $ と表す。これは、二重星の全質量に相当する質量を降着することで、e-foldingの縮小が起こることを示している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LIGO/Virgoの検出に関連する星間質量ブラックホール二重星の形成に寄与する主な天体物理学的チャネルは何か？
• RQ2 星団内の動的プロセス（質量分離、三体衝突など）がどのようにブラックホール二重星を形成するのか？
• RQ3 円周二重星ディスク内でのガス降着が、質量の大きなブラックホール二重星の接近をどのように加速するのか？
• RQ4 ガス駆動型トルクが、質量の大きなブラックホール二重星を重力波支配領域までどのくらいの速さで縮小させるのか？
• RQ5 宇宙時間にわたるブラックホール二重星の合体レートはどの程度であり、それは銀河合体の歴史とどのように関係するか？

主な発見

• 星間質量ブラックホール二重星は、主にフィールド進化（質量転送、共通エンvelope、超新星キック）と、密度の高い星団内の動的プロセスによって形成される。
• ガス豊富な円周二重星ディスクは、角運動量の抽出によって質量の大きなブラックホール二重星を縮小させ、降着質量が約μ（換算質量）に達するごとに、分離距離が約3 e-folds減少する。
• Eddington限界降着と10％の放射効率のもとで、ガス駆動型接近が重力波放射支配領域に到達するまでの時間定数は約4×10⁷年と推定される。
• 銀河合体の後、MBHBは動的およびガス駆動プロセスの両方の作用により、10億年未塔で合体すると予想される。
• 少なくとも1回の主要合体を経験する約10¹¹個の銀河が存在するため、期待されるMBHB合体レートは約10 yr⁻¹であり、これはLISAが4〜10年間のミッションで数十から数百件のイベントを検出できると予想されるのと整合的である。
• 理論的モデルは、二重星の四重極モーメントポテンシャルによって駆動されるガスの流れが、内側ディスクの縁から角運動量をディスクに戻すことができることを示しており、$ \frac{da}{a} = -\frac{dM}{M} $ を介して継続的な硬化を可能にする。