[論文レビュー] Single and binary Black Holes and their active environment

Peter L. Biermann, Mihaela Chirvasa+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 22, 2002

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 32被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、もともと質量ブラックホール向けに開発されたジェット-ディスク共役モデルが、質量スケールを問わず普遍的に適用可能であると提唱している。ジェット放射のみで観測されたスペクトルと変動を説明できることを示しており、二重ブラックホール合体におけるスピンのずれが、強い角運動量抑制とスピンの反転を引き起こし、最終的なスピンを高く維持することで、効率的なジェット形成とスピン依存の重力波形を伴う重力波放射を可能にすると示している。

ABSTRACT

In this short review we describe some of the latest endeavours to understand the activity around Black Holes. First, it has been possible to demonstrate that a large part of the electromagnetic emission observed can be interpreted as arising from the jet; this explains at once all spectral features and their variability. Second we dwell on the concept that merging galaxies naturally lead to merging Black Holes. Here we emphasize two aspects: a) the torque exerted by the binary Black Holes carves a torus like distribution out of the stellar population near to the Black Hole binary; b) We consider the last stages of the Black Hole binary merger, taking into account the angle between the spin of the primary Black Hole, and the orbital spin of the second Black Hole. We show that the loss of orbital angular momentum is very strongly spin-dependent; for large angles between the two spins the angular momentum loss is strongly inhibited, allowing spin flip of the primary Black Hole which preserves a high angular momentum relative to the maximum allowed. This ensures that both before and after the merger the accretion disk may reach to very small distances from the central Black Hole, with very high local temperatures right near the base of the jet: This is especially interesting in the case that forming the jet requires the formation of an ADAF like ring near the inner edge of the disk, as suggested by some earlier work. It also may have consequences for the initial hadronic interactions right near the base of the jet. Finally, this may also have important implications for the discovery of gravitational radiation bursts from the merger of black holes; the spin dependence needs to be taken into account.

研究の動機と目的

• ジェット-ディスク共役モデルが、質量ブラックホールに有効であるが、星質量ブラックホール（マイクロクェーサー）にも適用可能かどうかを検証すること。
• 特にスピンがずれた状態の二重ブラックホール合体が、角運動量損失と最終スピンの向きに与える影響を調査すること。
• スピン依存の合体ダイナミクスが、降着ディスク構造、ジェット形成、重力波検出に与える影響を検討すること。
• 赤色/青色超巨星からの星風が、活動銀河核における観測されたトーラスを形成できるかどうかを検討すること。
• スピンのずれが、ブラックホール合体検出のための重力波テンプレートに与える影響を評価すること。

提案手法

• 相対論的ジェットからのシンチロトロン放射および逆コンプトン放射を用いて、マイクロクェーサーの電磁放射をモデル化し、衝撃加速を主要なメカニズムとする。
• 質量およびエネルギー保存則に従い、スケーリング則を用いてマイクロクェーサーとより大きな活動銀河核を関連付ける。
• 数値シミュレーションを用いて、スピン-軌道角に応じた二重ブラックホール合体における軌道的角運動量損失を計算する。
• 主ブラックホールのスピンと二次ブラックホールの軌道的角運動量の間の角度が重力波放射に与える依存関係を分析する。
• ジェット形成の前触れとして、内側ディスク端付近にADAFLike構造が形成される可能性を評価する。
• モデル予測をCHANDRA X線観測によるマイクロクェーサー観測と比較し、ジェット-ディスク共役モデルの妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ジェット-ディスク共役モデルは、ディスク放射が最小限の状態でもマイクロクェーサーの全電磁スペクトルを説明できるか？
• RQ2 二次ブラックホールの軌道的角運動量と一次ブラックホールのスピンとの間の角度が、合体過程における角運動量損失に与える影響は何か？
• RQ3 スピンのずれが、最終スピン状態および合体後の角運動量に与える影響は何か？
• RQ4 密度の高い核領域に存在する進化した星からの星風が、活動銀河核における観測されたトーラスを形成できるか？
• RQ5 スピン依存の角運動量損失が、ブラックホール合体からの重力波信号にどのように影響を与え、検出テンプレートにどのような意味を持つのか？

主な発見

• ジェット-ディスク共役モデルは、マイクロクェーサーの全電磁スペクトルをうまく説明でき、ほぼすべての放射がジェットに起因し、ディスクやディスクコロナからの寄与はわずかである。
• 二重ブラックホール合体における軌道的角運動量の損失は、二次ブラックホールの軌道的スピンと一次ブラックホールの固有スピンの間の角度に強く依存しており、スピンがずれた状態では顕著な抑制が観察される。
• 合体過程で一次ブラックホールのスピンが反転する可能性があり、軌道的角運動量が完全に除去されないため、最大許容値に近い高い最終スピンが維持される。
• 高い最終スピンにより、合体前後ともに降着ディスクがイベントホライズンに非常に近い半径まで延び、ジェット基部付近で高い局所温度が生じる。
• 内側ディスク端付近にADAFLike構造が存在することは、ジェット形成にとって重要であり、ジェット基部領域におけるハドロン的相互作用に影響を与える可能性がある。
• スピン依存の角運動量損失は、重力波テンプレートに組み込む必要があり、特にスピン-軌道のずれが大きい系では波形が顕著に変化するためである。