[논문 리뷰] Formation of massive stars and black holes in self-gravitating AGN discs, and gravitational waves in LISA band

Y. Levin|arXiv (Cornell University)|2003. 07. 04.

Astrophysical Phenomena and Observations인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 활성은하핵(AGN) 주위의 자가중력적 응집원반에서 질량이 큰 별과 블랙홀의 형성을 제안한다. 원반의 붕괴가 덩어리 형성과 융합을 유도하며, 최종적으로 수십에서 수백 태양질량의 별로 붕괴된다. 이러한 별들은 항성질량 블랙홀로 진화하여 중심의 초거대 블랙홀로 빨려들어가며, LISA 대역에서 검출 가능한 중력파 폭발을 일으킨다. 이는 특징적인 신호 특성과 잠재적인 광학적 반영을 가진다.

ABSTRACT

We propose a scenario in which massive stars form at the outer edges of an AGN accretion disc. We analyze the dynamics of a disc forming around a supermassive black hole, in which the angular momentum is transported by turbulence induced by the disc's self-gravity. We find that once the surface density of the disc exceeds a critical value, the disc fragments into dense clumps. The biggest clumps collapse and form massive stars, which produce few-tens-solar-mass black holes at the end of their evolution. The embedded black holes will interact gravitationally with the massive accretion disc and be dragged towards the central black hole. Merger of a disc-born black hole with the central black hole will produce a burst of gravitational waves. If the central black hole is accreting at a rate comparable to the Eddington limit, the gas drag from the accretion disc will not alter significantly the dynamics of the final year of merger, and the gravitational waves should be observable by LISA. We argue that for a reasonable range of parameters such mergers will be detected monthly, and that the gravitational-wave signal from these mergers is distinct from that of other merger scenarios. Also, for some plausible black hole masses and accretion rates, the burst of gravitational waves should be accompanied by a detectable change in the optical luminosity of the central engine.

연구 동기 및 목표

• 초거대 블랙홀을 중심으로 하는 AGN 주위의 자가중력적 응집원반에서 거대 별과 블랙홀의 형성 과정을 조사한다.
• 원반의 자가중력과 난류가 붕괴와 덩어리 형성의 촉매 역할을 하는지 분석한다.
• 내재된 블랙홀의 응집열에 의한 피드백 효과가 원반 안정성에 미치는 영향을 평가한다.
• 중심 초거대 블랙홀과의 융합에서 기인한 중력파 신호를 모델링하며, LISA의 검출 가능성에 초점을 맞춘다.
• 중심 블랙홀 근처에서 원반 갭 형성이 유도하는 광학적 반영이 중력파 폭발과 함께 존재할 수 있는지 탐색한다.

제안 방법

• 표면 밀도, 온도, 척도 높이의 임계 조건을 계산하기 위해 반분석적 형식을 사용한다.
• 자기중력 원반이 조밀한 덩어리로 붕괴되는지를 판단하기 위해 Toomre 안정성 기준을 적용한다.
• Gammie(2001)의 시뮬레이션을 기반으로, 원반의 자기중력에 의해 유도된 난류에 의한 운동량 이동을 모델링한다.
• 효율적인 덩어리 융합을 가정하여, 융합된 덩어리의 최대 질량 한계를 응집 및 융합 역학을 통해 추정한다.
• 내재된 블랙홀에 대한 응집열 피드백을 포함하며, Bondi 비율과 초과에드링턴 응집 시나리오를 비교한다.
• 질량 응집 역사와 부피를 스케일링하여 LISA의 월별 융합 빈도를 추정함으로써 LISA 이벤트 빈도에 대한 단순 모델을 구축한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자기중력적 AGN 응집원반이 질량이 큰 덩어리로 붕괴되어 수십에서 수백 태양질량의 별을 형성할 수 있는가?
• RQ2 내재된 블랙홀의 응집 피드백이 자기중력 원반의 안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 응집원반에서 기인한 항성질량 블랙홀이 중심 초거대 블랙홀과 융합할 경우 기대되는 중력파 신호는 무엇이며, LISA로 검출 가능한가?
• RQ4 원반 상호작용에 의해 응집원반에서 기인한 블랙홀의 궤도가 원형으로 안정화될 수 있는가? 이는 잘 모델링된 중력파 신호를 유도하는가?
• RQ5 중심 블랙홀 근처에서 원반 갭 형성이 유도하는 광학적 반영이 중력파 폭발과 함께 존재할 수 있는가?

주요 결과

• 표면 밀도가 임계 임계값을 초과할 경우 원반이 조밀한 덩어리로 붕괴되며, 이는 덩어리의 응집과 융합을 통해 수십에서 수백 태양질량의 천체로 이어진다.
• 융합된 덩어리의 최대 질량은 천체역학적 시간스케일과 중력불안정성에 의해 제한되며, 매우 거대한 별의 형성을 시사한다.
• 항성질량 블랙홀은 거대 별의 진화 후 잔여물로서 형성되며, 수십 태양질량의 질량을 가진다.
• 내재된 블랙홀의 응집이 Bondi 비율로 일어날 경우, 피드백이 Toomre 불안정성에 대비해 원반을 안정화시킬 수 있으나, 그렇지 않으면 원반은 여전히 불안정하다.
• 융합에서 기인한 중력파 신호는 LISA로 검출 가능하며, 유의미한 매개변수 조건 하에 연간 약 10건의 높은 이벤트 빈도를 가질 수 있다.
• 어떤 경우에서는 응집 중인 블랙홀이 원반에 갭을 형성할 수 있으며, 이는 중력파 폭발과 함께 검출 가능한 광학적 반영을 유도할 수 있다.