[논문 리뷰] Binary black holes and tori in AGN II. Can stellar winds constitute a dusty torus?

Christian J. Zier, Peter L. Biermann|ArXiv.org|2002. 03. 21.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 87인용 수 23

한 줄 요약

이 논문은 이원 블랙홀 융합 후 형성된 토러스 내 항성 풍이 은하핵 활동성(AGN)에서 덜 투명한 먼지 토러스를 형성할 수 있다고 제안한다. 항성 풍은 복사압에 의해 기하학적으로 길쭉하고 스스로를 보호하는 꼬리 형태로 변형되며, 이로 인해 커버링 팩터가 1에 도달하여 관측된 높은 열량 밀도와 수십 년 단위의 X선 변동성을 설명한다. 이 모델은 빛의 세기와 융합 질량에 따라 관련된 두꺼운, 덩어리로 이루어진 토러스를 자연스럽게 생성하며, 통합 체계와 라디오 은하에서의 스핀-플립 사건에 물리적 기원을 제공한다.

ABSTRACT

We determine the properties of the stellar torus that we showed in a previous paper to result as a product of two merging black holes. If the surrounding stellar cluster is as massive as the binary black hole, the torque acting on the stars ejects a fraction which extracts all the binary's angular momentum on scales of ~10^7 yr, and a geometrically thick torus remains. In the present article we show that a certain fraction of the stars has winds, shaped into elongated tails by the central radiation pressure, which are optically thick for line of sights aligned with them. These stars are sufficiently numerous to achieve a covering factor of 1, so that the complete torus is optically thick. We find the parameters of such a patchy torus to be in the right range to explain the observed large column densities in AGN and their temporal variations on time scales of about a decade. Within this model the BAL quasars can be interpreted as quasars seen at intermediate inclination angles, with the line of sight grazing the edge of the torus. The opening angle of the torus is wider for major mergers and thus correlates with the central luminosity. In this picture the spin of the merged black hole is possibly dominated by the orbital angular momentum of the binary. Thus the spin of the merged black hole points into a new direction, and consequently the jet experiences a spin-flip according to the spin-paradigm. This re-orientation could be an explanation for the X-shaped radio galaxies, and the advancing of a new jet through the ambient medium for Compact Symmetric Objects.

연구 동기 및 목표

• 이원 블랙홀 융합 과정에서 탈출한 항성의 항성 풍이 AGN의 먼지 토러스 기원을 설명하기 위해 제안한다.
• 이 항성 풍이 기하학적으로 두꺼운, 덩어리로 이루어진 토러스를 형성할 수 있으며, 커버링 팩터 ≈1을 달성함을 보여준다.
• 이 토러스의 구조가 AGN의 관측된 특성, 특히 수십 년 단위의 열량 밀도 변화와 관련이 있음을 연결한다.
• 토러스의 기하학적 형태와 투과도가 통합 체계, 특히 유형 1과 유형 2 AGN와 어떻게 관련이 있는지 연결한다.
• X형 라디오 은하와 콤팩트 대칭 물체에서의 제트 재정렬(스핀-플립)에 대한 영향을 탐색한다.

제안 방법

• 이원 블랙홀 시스템의 중력 잠재력 내에서 별의 운동을 모델링하고, 이중성의 토크를 이용해 별을 토러스로 탈출시킨다.
• 중앙 순환 디스크에서 방출되는 복사압이 항성 풍에 미치는 영향을 시뮬레이션하여, 기하학적으로 길쭉하고 덜 투명한 꼬리 형태로 변형시킨다.
• 항성 풍 분포와 선형 시야 기하학을 통합하여 결과 토러스의 커버링 팩터와 광학적 깊이를 계산한다.
• 이중성의 빛의 세기와 질량 비율을 사용하여 복사압 강도와 풍의 굽힘 정도를 추정하고, 이로 인해 토러스 두께와 열린 각도와 연관시킨다.
• 모델이 예측한 열량 밀도와 변동 시간 스케일을 관측된 AGN 데이터와 비교한다.
• 감소하는 순환 비율과 변화하는 빛의 세기를 포함한 진화적 영향을 고려하여 시간에 따라 변하는 은폐 현상을 모델링한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 융합 후 항성 클러스터 내 항성 풍이 통합 체계를 설명할 수 있는 기하학적으로 두꺼운, 덜 투명한 토러스를 형성할 수 있는가?
• RQ2 복사압에 의해 형성된 항성 풍의 역학이 커버링 팩터 ≈1인 덩어리로 이루어진 구조를 생성하는가?
• RQ3 이 모델은 관측된 AGN에서 수십 년 단위의 열량 밀도 변화를 재현할 수 있는가?
• RQ4 토러스의 반개구역 각도와 투과도는 중심 빛의 세기와 이중성 질량 비율과 어떻게 상관관계가 있는가?
• RQ5 X형 라디오 은하와 콤팩트 대칭 물체에서의 제트 재정렬(스핀-플립)에 대해 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 항성 풍 토러스는 커버링 팩터가 약 1에 도달하여 모든 선형 시야에서 전체적으로 덜 투명한 상태가 된다.
• 기하학적으로 길쭉하고 복사압에 의해 굽혀진 풍 꼬리에 의해 형성된 덩어리로 이루어진 토러스의 구조는 약 10년 단위의 관측된 열량 밀도 변화를 자연스럽게 설명한다.
• 토러스의 반개구역 각도는 중심 빛의 세기에 따라 증가하며, 융합하는 블랙홀의 질량 비율과 상관관계가 있다.
• 이 모델은 브로드 흡수선 퀘이사들을 중간 기울기 각도에서 관측된 AGN로 설명하며, 선형 시야가 토러스의 가장자리를 스치는 경우로 설명한다.
• 융합된 블랙홀의 스핀은 주로 이중성의 궤도 운동량에 의해 결정되며, 이는 X형 라디오 은하와 콤팩트 대칭 물체에서의 제트 진행 현상을 설명할 수 있는 스핀-플립을 유도한다.
• 이 토러스는 이중성 잠재력 내 별의 운동역학에 의해 자연스럽게 기하학적으로 두꺼워지며, 압력 지지나 덩어리 운동에 대한 인위적인 가정이 필요 없다.