[논문 리뷰] Binary Black Hole Merger Rates in AGN Disks versus Nuclear Star Clusters: Loud beats Quiet

K. E. Saavik Ford, Barry McKernan|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 07.

Pulsars and Gravitational Waves Research인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 활성은하핵(AGN) 원반에서의 이진 블랙홀(BBH) 병합 비율이 정적인 핵성운(NSC)보다 크게 높음을 입증한다. 이는 AGN에서 빠른 하드닝이 일어나 BBH 수명이 하드-소프트 경계 이하로 단축되기 때문이다. 반면 NSC에서는 이온화로 인해 이진이 오래 지속되며, BBH 수명이 길어진다. 저자들은 AGN가 LIGO-Virgo가 측정한 BBH 병합 비율의 25%~80%를 기여할 수 있다고 추정하며, 고세대 계층적 병합은 깊은 잠재우물 내에서 AGN 기원을 유일무이자로 추적할 수 있다.

ABSTRACT

Galactic nuclei are promising sites for stellar origin black hole (BH) mergers, as part of merger hierarchies in deep potential wells. We show that binary black hole (BBH) merger rates in active galactic nuclei (AGN) should always exceed merger rates in quiescent galactic nuclei (nuclear star clusters, NSCs) around supermassive BHs (SMBHs) without accretion disks. This is primarily due to average binary lifetimes in AGN that are significantly shorter than in NSCs. The lifetime difference comes from rapid hardening of BBHs in AGN, such that their semi-major axes are smaller than the hard-soft boundary of their parent NSC; this contrasts with the large average lifetime to merger for BBHs in NSCs around SMBHs, due to binary ionization mechanisms. Secondarily, merger rates in AGNs are enhanced by gas-driven binary formation mechanisms. Formation of new BHs in AGN disks are a minor contributor to the rate differences. With the gravitational wave detection of several BBHs with at least one progenitor in the upper mass gap, and signatures of dynamical formation channels in the $χ_{ m eff}$ distribution, we argue that AGN could contribute $\sim 25\%-80\%$ of the LIGO-Virgo measured rate of $\sim 24 m{Gpc}^{-3} m{yr}^{-1}$.

연구 동기 및 목표

• 초거대블랙홀(SMBH) 주변의 활성은하핵(AGN) 원반과 정적인 핵성운(NSC)에서의 BBH 병합 비율을 비교하기 위해.
• AGN와 NSC 환경 간 병합 비율의 차이를 이끄는 주요 물리적 메커니즘을 규명하기 위해.
• 특히 계층적 병합을 통해 관측된 LIGO-Virgo BBH 병합 비율에서 AGN의 기여도를 평가하기 위해.
• 가스에 의한 형성과 이온화 과정이 병합 비율 격차를 어떻게 형성하는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 가스에 의한 하드닝과 운동 저항력을 고려해 AGN 원반 내 BBH 진화를 모델링하여 병합 timescale을 계산하기 위해.
• 가스가 적은 NSC에서 이진 이온화가 지배적이며 수명을 연장시키는 것과 이 timescale을 비교하기 위해.
• 가스 밀도와 원반 수명 등 다양한 AGN 및 NSC 조건을 고려해 몬테카를로 시뮬레이션을 사용해 병합 비율을 추정하기 위해.
• 가스 축적에 의해 현지에서 BH가 형성되는 메커니즘을 AGN 원반 내 이진 형성에 통합하기 위해.
• 계층적 병합의 질량, 스핀, 이심률 분포를 분석해 AGN 특유의 특징을 식별하기 위해.
• 특히 계층적 병합 비율에 기반해 LIGO-Virgo 관측 결과에서 제약을 얻어 AGN 기원 BBH 병합 비율의 비율을 校정하기 위해.

Figure 1: Relative rate densities of BBH mergers in active versus quiescent galactic nuclei. For nuclei containing an SMBH, assuming $f_{A,b}/f_{G,b}=1$ , $t_{G,b}=40{\rm Gyr}$ , $t_{A,b}=1{\rm Myr}$ , we find that almost regardless of the fraction of galactic nuclei that are involved in acceleratin

실험 결과

연구 질문

• RQ1 AGN 원반과 정적인 NSC 간 BBH 병합 비율의 차이를 이끄는 요인은 무엇인가요?
• RQ2 왜 AGN에서는 NSC보다 BBH 수명이 현저히 짧은가요?
• RQ3 AGN 내에서 가스에 의한 형성 메커니즘이 비율 격차에 얼마나 기여하는가요?
• RQ4 고세대 계층적 병합은 AGN이 BBH 병합 기원임을 고유하게 식별할 수 있는가요?
• RQ5 현재 데이터를 바탕으로 관측된 LIGO-Virgo BBH 병합 비율 중 AGN이 차지하는 비율은 어느 정도인가요?

주요 결과

• 가속 하드닝으로 인해 반지름이 하드-소프트 경계 이하로 줄어들기 때문에, AGN 원반 내 BBH 병합 비율은 항상 정적인 NSC보다 높다.
• 이 비율 격차의 주요 원인은 밀도 높은 가스 원반에서 효율적인 하드닝으로 인해 AGN 내 평균 BBH 수명이 짧아지는 것이다.
• 보조적인 증가 요인은 가스에 의한 이진 형성에 기인하지만, 이는 전체 비율 격차의 미미한 부분에 그친다.
• AGN는 LIGO-Virgo 측정한 BBH 병합 비율 약 24 Gpc⁻³ yr⁻¹의 25%에서 80%를 기여할 수 있다.
• 고세대 계층적 병합(n > 3)은 태초 스핀이 거의 0인 경우 AGN 기원을 고유하게 나타내며, 스핀이 보통이거나 이심률이 존재하면 각각 n > 2 또는 n > 1일 때 해당된다.
• BBH 병합에 가장 기여하는 AGN는 수명이 짧고(5 Myr 이하), 가스 밀도가 높은(10⁻¹¹ g cm⁻³ 이상) 경우로, LISA로 탐지 가능한 중간질량BH-SMBH 이진 형성은 제한된다.