[논문 리뷰] Hill sphere contraction at light-speed: Prompt electromagnetic emission from the merger of stellar mass black holes in an AGN accretion disk

Barry McKernan, K. E. Saavik Ford외 8명|arXiv (Cornell University)|2019. 07. 08.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 3인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 활성은하핵(AGN)의 순환원반 내에서 별질량 블랙홀 합성이 발생할 경우, 빛의 속도로 초고속 수축하는 힐 영역으로 인해 기체의 자가충돌이 발생하고, 이로 인해 즉각적인 전자기 플레어가 발생한다고 제안한다. 만약 힐 영역이 원반의 척도 높이를 초과할 경우, 빛을 가로질러가는 데 걸리는 시간스케일 내에 자외선 플레어가 나타나며, 중력파 신호에 대해 관측 가능한 전자기 대응체를 제공한다.

ABSTRACT

Accretion disks around supermassive black holes are promising sites for stellar mass black hole (BH) mergers due to mass segregation and merger acceleration by disk gas torques. At BH merger, a few percent of the mass is lost, generating gravitational waves detectable with Advanced LIGO and Advanced Virgo. The mass loss causes the merging system's sphere of influence, known as the Hill sphere (radius $R_H$), to contract at light speed, and gas within the Hill sphere will self-collide. Observational signatures will depend on how $R_H$ compares to the accretion disk height, $H$. If $R_{H}\geq H$, a UV flare emerges post-merger on timescale $R_{H}/c$. A thermalized disk hot spot alters the AGN optical/UV photometry and asymmetric broad emission line profiles can develop. If $R_{H}<H$, detectability depends strongly on the disk optical depth. Large optical sky surveys can be used now, during O3, to search for BH mergers in AGN disks. LIGO/Virgo triggers should include rough mass estimates to optimize follow-up.

연구 동기 및 목표

• AGN 순환원반 내에서 발생하는 별질량 블랙홀 합성의 전자기 대응체를 조사하는 것.
• 합성 과정 중 질량 손실로 인해 발생하는 힐 영역의 급속한 수축이 관측 가능한 전자기 복사로 이어지는 방식을 이해하는 것.
• 특히 원반 기하학과 투과도와의 관계에서 이러한 복사가 관측 가능한 조건이 되는지를 규명하는 것.
• 현재의 대규모 하늘 조사와 LIGO/Virgo 촉발 신호를 활용한 이러한 플레어 탐지 전략을 제안하는 것.

제안 방법

• 합성 이후 힐 영역 반경 $ R_H $ 가 질량 손실로 인해 빛의 속도 $ c $ 로 수축하는 모델링.
• 히르 영역 반경 $ R_H $ 와 순환원반의 척도 높이 $ H $ 를 비교하여 복사 영역을 분류: $ R_H \geq H $ 대비 $ R_H < H $.
• 플레어가 나타나는 시간스케일을 $ R_H / c $ 로 계산하며, 이는 힐 영역의 빛을 가로질러가는 데 걸리는 시간에 해당한다.
• 자기충돌하는 기체로 인해 형성된 뜨거운 영역의 관측 가능성 평가 및 열화된 기체의 열적 평형과 비대칭적인 넓은 선형 프로파일을 고려한다.
• $ R_H < H $ 조건에서 디스크의 투과도를 관측 가능성 결정의 핵심 요소로 삼으며, 특히 투명도가 높은 조건에서의 영향을 분석한다.
• LIGO/Virgo O3 관측 런 동안 대규모 옵티컬 천체 조사에서 이러한 플레어를 탐색하고, 중력파 촉발 신호로부터 추정된 질량 정보를 활용해 후속 관측을 최적화하는 것을 제안한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 빛의 속도로 수축하는 별질량 블랙홀 시스템의 힐 영역이 전자기 신호를 어떻게 유도하는가?
• RQ2 히르 영역의 크기가 원반 높이 $ H $ 와 비교할 때 복사의 성격과 관측 가능성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 AGN 원반 내에서 블랙홀 합성이 발생한 후 자외선 플레어가 나타나는 데 예상되는 시간스케일은 무엇인가?
• RQ4 히르 영역이 원반 높이보다 작을 경우, 어떤 조건에서 복사가 관측 가능해지는가?
• RQ5 현재 및 향후의 하늘 조사와 중력파 촉발 신호를 어떻게 활용하여 이러한 전자기 대응체를 탐지할 수 있는가?

주요 결과

• $ R_H \geq H $ 일 경우, 빛을 가로질러가는 데 걸리는 시간스케일인 $ R_H / c $ 에 해당하는 시간 내에 자외선 플레어가 나타난다.
• 자기충돌하는 기체로 인해 형성된 열화된 뜨거운 영역은 AGN의 옵티컬/자외선 광도를 변화시켜 측정 가능한 서명을 제공한다.
• 지역적이고 일시적인 원반 기체의 가열로 인해 비대칭적인 넓은 선형 프로파일이 발생할 수 있다.
• $ R_H < H $ 일 경우, 관측 가능성은 디스크의 투과도에 크게 의존하며, 특히 투명도가 높은 디스크에서는 관측 가능한 복사가 억제될 수 있다.
• 대규모 옵티컬 천체 조사는 LIGO/Virgo O3 관측 런 기간 동안 이러한 플레어를 탐지하는 데 유용한 도구가 될 수 있다.
• LIGO/Virgo 촉발 신호에는 후속 관측을 효율적으로 수행하기 위해 질량 추정치를 포함시켜야 한다.