[論文レビュー] Observable Signatures of EMRI Black Hole Binaries Embedded in Thin Accretion Disks

Bence Kocsis, Nicolás Yunes+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 12, 2011

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 189被引用数 243

ひとこと要約

本稿は、薄い放射圧支配の降着円盤に埋め込まれた極端質量比降下（EMRI）—星質量のコンパクトな物体が超大質量ブラックホールに降下する現象—の電磁界（EM）および重力波（GW）的シグネチャを調査する。円盤に起因する移動が、GWに年間10–1000ラジアンの位相シフトを引き起こし、LISAによって検出可能であることが示された。また、降下の後期段階におけるギャップの再充填が、急激なEMの明るみを引き起こし、円盤の物理的性質を制約するための連携EM-GW観測が可能になる。

ABSTRACT

We examine the electromagnetic (EM) and gravitational wave (GW) signatures of stellar-mass compact objects (COs) spiraling into a supermassive black hole (extreme mass-ratio inspirals or EMRIs), embedded in a thin, radiation-pressure dominated, accretion disk. At large separations, the tidal effect of the secondary CO clears a gap. We show that the gap refills during the late GW-driven phase of the inspiral, leading to a sudden EM brightening of the source. The accretion disk leaves an imprint on the GW through its angular momentum exchange with the binary, the mass increase of the binary members due to accretion, and its gravity. We compute the disk-modified GWs both in an analytical Newtonian approximation and in a numerical effective-one-body approach. We find that disk-induced migration provides the dominant perturbation to the inspiral, with weaker effects from the mass accretion onto the CO and hydrodynamic drag. Depending on whether a gap is present, the perturbation of the GW phase is between 10 and 1000 radians per year, detectable with the future Laser Interferometer Space Antenna (LISA) at high significance. The Fourier transform of the disk-modified GW in the stationary phase approximation is sensitive to disk parameters with a frequency trend different from post-Newtonian vacuum corrections. Our results suggest that observations of EMRIs may place new sensitive constraints on the physics of accretion disks.

研究の動機と目的

• 薄い放射圧支配の降着円盤がEMRIの重力波および電磁界信号に与える影響を調査すること。
• LISAがEMRI波形に及ぶ円盤由来の摂動を検出可能かどうかを特定すること。
• GWのフーリエ変換および位相シフトを用いた、円盤パラメータの検出可能性を評価すること。
• 円盤の重力、質量降着、および流体力学的抵抗がEMRIダイナミクスに与える影響を比較すること。
• 連携EMおよびGW観測が、降着円盤の構造および物理的性質を制約する可能性を検討すること。

提案手法

• 円盤修正EMRI波形をモデル化するために、解析的ニュートン近似および数値的有効1体（EOB）手法を用いた。
• 移動、質量降着、および円盤の重力に起因する、円盤に起因するGW位相補正を計算した。
• 二次のコンパクト物体による潮汐力によるギャップ形成と、降下の後期段階におけるその再充填をモデル化した。
• 修正されたGW信号のフーリエ変換を計算するために、定常位相近似を適用した。
• LISA感度に適した位相ずれおよび重なり係数を用いて、検出可能性を定量化した。
• EOBハミルトニアンおよび放射反力項に、円盤ポテンシャルおよび角運動量交換効果を組み込んだ。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 薄く放射圧支配の降着円盤は、EMRIの重力波位相にどのように影響を与えるか？
• RQ2 円盤に起因する移動効果の大きさと、EMRI降下における検出可能性は何か？
• RQ3 EMRIのギャップ再充填は、観測可能な電磁界の明るみを引き起こすか？
• RQ4 円盤の重力、質量降着、および流体力学的抵抗は、GW位相にどの程度の影響を及ぼすか？
• RQ5 円盤修正GWのフーリエ変換は、ポストニュートン真空補正とは異なる周波数傾向を示し、円盤パラメータの同定に役立つか？

主な発見

• 円盤に起因する移動は、年間10–1000ラジアンのGW位相摂動を引き起こし、LISAによって高い有意水準で検出可能である。
• 降下の後期段階におけるギャップ再充填は、EMRI源の急激な電磁界の明るみを引き起こす。
• 円盤修正GWのフーリエ変換は、ポストニュートン真空補正とは異なる周波数傾向を示し、円盤パラメータの推定が可能である。
• 移動がEMRI降下に対する主要な摂動であり、質量降着および流体力学的抵抗は弱い寄与である。
• 連携EMおよびGW信号は、ギャップ構造および質量供給レートを含む降着円盤の物理的性質を新たに高感度で探査する手段を提供する。
• 本研究は、GW位相を用いたEMRI観測が、表面密度や粘性係数などの円盤パラメータを制約可能であることを示している。