[논문 리뷰] A new mechanism for massive binary black hole coalescences

Kimitake Hayasaki|arXiv (Cornell University)|2008. 05. 22.

Astrophysical Phenomena and Observations인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 순환 이중성원반의 질량 합착과 이중성원반 공명 상호작용을 결합함으로써 거대 이중 블랙홀(BBH) 융합을 위한 새로운 메커니즘을 제안한다. 각운동량 추출(원반 상호작용에 의해)과 증가(질량 이동에 의해) 사이의 균형이 융합 timescale를 결정하며, 질량 이동이 임계값 이하일 경우 BBH는 허블 시간 이내에 붕괴하고 융합되며, 이는 대부분의 거대 BBH에 대한 최종 파섹 문제를 해결한다.

ABSTRACT

It is still unknown how the BBH evolves after its semi-major axis reached to the sub-parsec/parsec scale where the dynamical friction with the neighboring stars is no longer effective (the so-called the final parsec problem). In this paper, we propose a new mechanism by which the massive BBH can naturally coalesce within a Hubble time. We study the evolution of the BBH with triple disks which are composed of an accretion disk around each black hole and one circumbinary disk surrounding them. While the circumbinary disk removes the orbital angular momentum of the BBH via the binary-disk resonant interaction, the mass transfer from the circumbinary disk to each black hole adds some fraction of its angular momentum to the orbital angular momentum of the BBH. We find that there is a critical value of the mass-transfer rate where the extraction of the orbital angular momentum from the BBH is balanced with the addition of the orbital angular momentum to the BBH. The semi-major axis of the BBH decays with time whereas the orbital eccentricity of the BBH grows with time, if the mass transfer rate is smaller than the critical one, and vice versa. Its evolutionary timescale is characterized by the product of the viscous timescale of the circumbinary disk and the ratio of the total black hole mass to the mass of the circumbinary disk. Since a minimum value of the critical mass-transfer rate is larger than the Eddington accretion rate of massive black holes with masses in the 10^{6}M_{sun} to $10^{9}M_{sun} range, it is promising that the critical mass-transfer rate is larger than the mass transfer rate. Most of massive BBHs, therefore, enable to merge within a Hubble time by the proposed mechanism, which helps to solve the final parsec problem.

연구 동기 및 목표

• 이중 블랙홀이 동역학적 마찰이 효과적이지 않기 때문에 하위파섹 거리에서 정체되는 최종 파섹 문제를 해결하기 위해.
• 삼중 원반 시스템(순환 이중성원반 + 두 개의 질량 합착 원반)에서의 각운동량 교환 작용이 빠른 융합을 이끌 수 있는지 조사하기 위해.
• 거대 BBH가 허블 시간 내에 융합할 수 있는 조건을 규명하기 위해.
• BBH 시스템에서 각운동량 손실과 증가 사이의 균형을 이루는 임계 질량 이동률을 특정하기 위해.

제안 방법

• 각 블랙홀 주위에 개별 질량 합착 원반과 하나의 순환 이중성원반을 포함하는 삼중 원반 구조로 BBH 시스템을 모델링한다.
• 이중성원반 공명 상호작용을 통해 BBH의 궤도 각운동량을 추출하는 각운동량 교환을 시뮬레이션한다.
• 순환 이중성원반에서 각 블랙홀로의 질량 이동을 포함하여 BBH 궤도에 각운동량을 추가한다.
• 각운동량 손실과 증가가 균형을 이루는 임계 질량 이동률을 계산하여 시스템의 진화적 운명을 결정한다.
• 순환 이중성원반의 점성 timescale와 블랙홀의 질량 비율을 이용해 융합 timescale을 추정한다.
• 임계 질량 이동률을 에딩턴 질량 합착률과 비교하여 물리적 타당성을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 삼중 원반 시스템에서의 각운동량 교환 작용이 거대 BBH가 허블 시간 내에 융합하도록 이끌 수 있는가?
• RQ2 BBH 시스템에서 각운동량 추출과 증가 사이의 균형을 이루는 임계 질량 이동률은 무엇인가?
• RQ3 질량 이동률이 임계값 이상 또는 이하일 경우 궤도의 장반경과 이심률은 어떻게 변화하는가?
• RQ4 에딩턴 제한된 질량 합착을 고려할 때, 10⁶–10⁹ M☉ 범위의 거대 블랙홀에 대해 임계 질량 이동률은 물리적으로 실현 가능한가?
• RQ5 이 메커니즘은 거대 BBH 집단 전체에 걸쳐 최종 파섹 문제를 어느 정도 해결할 수 있는가?

주요 결과

• 질량 이동률이 임계값 이하일 경우 BBH의 장반경은 감소하고 이심률은 증가하여 빠른 융합이 유리해진다.
• 질량 이동률이 임계값을 초과할 경우 BBH의 장반경은 증가하고 이심률은 감소하여 융합이 지연된다.
• 융합 timescale은 순환 이중성원반의 점성 timescale와 총 블랙홀 질량 대 원반 질량 비율의 곱에 비례한다.
• 10⁶–10⁹ M☉ 범위의 거대 블랙홀에 대해 임계 질량 이동률은 에딩턴 질량 합착률을 초과하므로 물리적으로 타당하다.
• 실제 질량 이동률이 일반적으로 임계 임계값 이하이므로, 대부분의 거대 BBH는 이 메커니즘에 따라 허블 시간 내에 융합될 것으로 예상된다.
• 자연스러운 원반 기반 각운동량 교환을 통해 효율적인 융합을 가능하게 하므로, 이 메커니즘은 최종 파섹 문제에 대한 타당한 해결책을 제공한다.