[논문 리뷰] Gas Assisted Binary Black Hole Formation in AGN Discs

Henry Whitehead, Connar Rowan외 2명|arXiv (Cornell University)|2023. 09. 20.

Astrophysical Phenomena and Observations인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 AGN 원반에서 고해상도 345개의 2D 등온 점성 유체 수치해석을 시헤어 박스에서 수행하여 가스 보조 포획과 이진 블랙홀 형성을 연구하고, 준해석 모델용 포획 처방전을 도출한다.

ABSTRACT

We investigate close encounters by stellar mass black holes (BHs) in the gaseous discs of active galactic nuclei (AGN) as a potential formation channel of binary black holes (BBHs). We perform a series of 2D isothermal viscous hydrodynamical simulations within a shearing box prescription using the Eulerian grid code Athena++. We co-evolve the embedded BHs with the gas keeping track of the energetic dissipation and torquing of the BBH by gas gravitation and inertial forces. To probe the dependence of capture on the initial conditions, we discuss a suite of 345 simulations spanning local AGN disc density ($ρ_0$) and impact parameter ($b$) space. We identify a clear region in $b - ρ_0$ space where gas assisted BBH capture is efficient. We find that the presence of gas leads to strong energetic dissipation during close encounters between unbound BHs, forming stably bound eccentric BBHs. We find that the gas dissipation during close encounters increases for systems with increased disc density and deeper periapsis passages $r_p$, fitting a power law such that $ΔE \propto ρ_0^αr_p^β$ where $\{α,β\} = \{1.01\pm0.04,-0.43\pm0.03\}$. Alternatively, the gas dissipation is approximately $ΔE = 4.3 M_ ext{d} v_ ext{H} v_p$, where $M_ ext{d} $ is the mass of a single BH minidisc just prior to the encounter when the binary separation is $2r_ ext{H}$ (two binary Hill radii), $v_ ext{H}$ and $v_p$ are the relative BH velocities at $2r_ ext{H}$ and at the first closest approach, respectively. We derive a prescription for capture which can be used in semi-analytical models of AGN. We do not find the dissipative dynamics observed in these systems to be in agreement with the simple gas dynamical friction models often used in the literature.

연구 동기 및 목표

• 가스가 AGN 원반에서 BH 간 근접 교란 도중 포획 및 경계 BBH 형성을 유도할 수 있는지 조사한다.
• 근접 교란 중 가스 소실이 지역 원반 밀도와 교란 형상(근점고도)에 따라 어떻게 달라지는지 정량화한다.
• 가스 보조 포획이 효율적인 초기 매개변수 공간(b, ρ0) 영역을 식별한다.
• 준해석 포획 처방전을 도출하여 더 넓은 AGN BBH 형성 모델에 활용될 수 있도록 한다.
• 본 수치에서 가스 구동 소산 메커니즘을 간단한 가스 역학적 마찰 모델과 비교하고 모델링 시사점을 평가한다.

제안 방법

• 중심 SMBH를 둔 시어링 박스에서 Athena++로 2D 등온 점성 유체역학 시뮬레이션을 수행한다.
• 형성 중인 미니디스크를 갖는 두 개의 질량이 같은 BH를 포함시키고 가스에 의한 진화를 추적한다.
• 주변 원반 밀도 ρ0와 초기 충돌 매개변수 b를 아우르는 345개의 시뮬레이션 그리드를 탐색한다.
• 적응형 메쉬 정제를 사용하여 Hill 반경당 ≳500셀 이상을 달성해 미니디스크와 가까운 만남을 해상도화한다.
• 에너지 및 각운동량 교환을 정량화하기 위해 dissipation 진단치(epsilon_SMBH 및 epsilon_gas)와 토크를 계산한다.
• 준해석 BBH 형성 모델에 공급될 수 있는 포획 기준과 에너지 소멸의 스케일링 관계를 도출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 가스가 BH 간 교란 도중 충분한 에너지를 소멸시켜 AGN 원반에서 경계 BBH를 형성하게 만들 수 있는 조건은 무엇인가?
• RQ2 가스에 의한 소실은 원반 밀도와 교란의 근점거리(periapsis)에 따라 어떻게 스케일링되며, b-ρ0 공간에서 포획은 어디에서 가장 효율적인가?
• RQ3 준해석 또는 개체군 합성 모델에 사용할 수 있는 견고하고 전달 가능한 포획 처방전을 도출할 수 있는가?
• RQ4 이 교란에서 가스 역학적 마찰의 기대와 비교하여 가스 역학이 어떻게 다르게 작용하는가?
• RQ5 형성된 BBH의 특성(근궤도 편심율, Hill 에너지)과 가스 토크 하에서의 후속 진화는 어떠한가?

주요 결과

• 가스는 근접 교란 중 강한 에너지 소실을 초래하여 안정적으로 결합된 편심 BBH를 형성한다.
• 소실은 ΔE ∝ ρ0^α r_p^β 형태로 스케일링되며 {α,β} = {1.01 ± 0.04, −0.43 ± 0.03}이다.
• 대안적 소실 처방전은 ΔE = 4.3 M_d v_H v_p이며, M_d는 교란 직전의 미니디스크 질량, v_H, v_p는 각각 2 r_H에서의 상대 BH 속도와 처음 최근접 접근 시의 속도이다.
• 포획은 초기 b–ρ0 매개변수 공간의 특정 영역에서만 효율적이다.
• 첫 근점에서의 가스 소실이 하드닝의 지배적인 기여를 하며, 이후의 통과에서의 소실은 더 약하다.
• 관찰된 소실 역학은 문헌에서 자주 사용되는 간단한 가스 역학적 마찰 모델과 완전히 일치하지 않는다.