[논문 리뷰] Extreme mass ratio inspirals triggered by massive black hole binaries: from relativistic dynamics to cosmological rates

Lodato, G.|arXiv (Cornell University)|2022. 10. 01.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 69인용 수 23

한 줄 요약

이 논문은 은하 융합 후 형성된 질량 중심 블랙홀 이원성(MBHB)에 의해 유도되는 극단적 질량비 비율 유도 궤도(EMRI)를 연구하며, 상대론적 삼체 시뮬레이션을 사용하여 일정한 동역학과 혼돈 동역학을 통한 EMRI 형성 과정을 모델링한다. MBHB는 표준 이중체 상호작용에 비해 10–100배 높은 비율로 급격한 붐을 일으켜 LISA로 탐지 가능한 연간 약 O(10)개의 EMRI를 예측한다.

ABSTRACT

Extreme mass ratio inspirals (EMRIs) are compact binary systems characterized by a mass-ratio $q=m/M$ in the range $~10^{-9}-10^{-4}$ and represent primary gravitational wave (GW) sources for the forthcoming Laser Interferometer Space Antenna (LISA). While their standard formation channel involves relaxation processes deflecting compact objects on very low angular momentum orbits around the central massive black hole, a number of alternative formation channels has been proposed, including binary tidal break-up, migration in accretion disks and secular and chaotic dynamics around a massive black hole binary (MBHB). In this work, we take an extensive closer look at this latter scenario, investigating how EMRIs can be triggered by a MBHBs, formed in the aftermath of galaxy mergers. By employing a suite of relativistic three-body simulations, we evaluate the efficiency of EMRI formation for different parameters of the MBHB, assessing the importance of both secular and chaotic dynamics. By modelling the distribution of compact objects in galaxy nuclei, we estimate the resulting EMRI formation rate, finding that EMRI are produced in a sharp burst, with peak rates that are 10-100 times higher than the standard two-body relaxation channel, lasting for 10$^6$--10$^8$ years. By coupling our results with an estimate of the cosmic MBHB merger rate, we finally forecast that LISA could observe ${\cal O}(10)$ EMRIs per year formed by this channel.

연구 동기 및 목표

• 은하핵에서 발생하는 질량 중심 블랙홀 이원성(MBHB)에 의해 유도되는 EMRI 형성 과정을 조사한다.
• EMRI 생성에 기여하는 일정한(예: Lidov-Kozai) 동역학과 혼돈 동역학의 상대적 기여도를 평가한다.
• MBHB에 의해 유도되는 천체론적 EMRI 형성 비율을 추정하고 LISA 탐지 비율을 예측한다.
• 스털러 밀도 프로파일과 외부 편향에 대한 불확실성에 대한 결과의 탄력성 여부를 평가한다.
• MBHB에 의해 유도된 EMRI가 전자기적 대응 없이 식별 가능한 특별한 특성을 지닐 수 있는지 탐색한다.

제안 방법

• 상대론적 중력장 내에서 별 블랙홀(CO)과 질량 중심 블랙홀 이원성(MBHB) 간의 상대론적 삼체 시뮬레이션을 수행하였다.
• 뉴턴적 고정각운동량을 포함한 단순화된 분석적 별성 밀도 장(비슷한 SIS)을 사용하여 중심 별성 쿠스를 모델링하였다.
• MBHB의 매개변수(질량비 𝑞, 총 질량, 간격)를 변화시켜 EMRI 형성 효율성에 미치는 영향을 평가하였다.
• 은하핵 내의 밀도 분포를 모델링하고, L-Galaxies와 같은 반분석적 천체론 모델을 사용해 EMRI 비율을 스케일링하였다.
• 신호 대 잡음비와 LISA 탐지 가능성 추정을 위해 단순화된 클러지 웨이브폼 모델(Barack & Cutler 2004)을 적용하였다.
• 스털러 장을 제거하고 LK 진동과 EMRI 비율에 미치는 영향을 평가하는 민감도 테스트를 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 질량 중심 블랙홀 이원성(MBHB)은 일정한 동역학과 혼돈 동역학을 통해 EMRI 형성에 얼마나 효율적으로 기여하는가?
• RQ2 MBHB에 의해 유도되는 천체론적 EMRI 형성 비율은 표준 이중체 상호작용 메커니즘 대비 어떻게 되는가?
• RQ3 MBHB 매개변수(질량비, 총 질량, 간격)는 EMRI 생성 비율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 MBHB에 의해 유도된 EMRI는 표준 상호작용을 통한 것과 구별될 수 있는가? 이를 통해 전자기적 대응 없이 식별 가능할 수 있는가?
• RQ5 이 채널에서 LISA 임무가 연간 예상하여 탐지할 수 있는 EMRI의 수는 얼마인가?

주요 결과

• MBHB에 의해 유도되는 EMRI 형성은 10⁶–10⁸년 동안 급격한 붐으로 발생하며, 피크 비율은 표준 이중체 상호작용 채널보다 10–100배 높다.
• 대부분의 시스템에서 MBHB에 의해 유도되는 EMRI 비율은 혼돈 상호작용에 의해 지배되며, 특히 높은 질량비에서 두드러진다. 반면 일정한 Lidov-Kozai 진동은 낮은 질량비 이진에서만 상당한 기여를 한다.
• L-Galaxies 모델에서 표준 MBHB 융합 비율을 가정할 경우, MBHB 채널에서의 천체론적 EMRI 형성 비율은 LISA로 탐지 가능한 약 O(10)건/년으로 추정된다.
• 결과는 스타일러 밀도 프로파일의 불확실성에 대해 탄력적이다. 더 급격한 밀도 프로파일을 가정하더라도 LK 진동은 대부분의 시스템에서 열등하며, EMRI 비율에 미치는 영향은 최소한이다.
• 근처 별성의 확률적 편향를 무시할 경우 비율이 다소 과소평가될 수 있으나(약 2배 이내), 전체 기여도는 여전히 뚜렷하다.
• MBHB에 의해 유도된 EMRI는 특별한 웨이브폼과 궤도적 특성을 지닐 가능성이 높아, 전자기적 대응 없이 MBHB 집단을 식별할 수 있는 잠재적 길을 제공한다.