[논문 리뷰] Single and binary Black Holes and their active environment

Peter L. Biermann, Mihaela Chirvasa외 3명|arXiv (Cornell University)|2002. 11. 22.

Astrophysical Phenomena and Observations참고 문헌 32인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 초기에 초거대 블랙홀을 위해 개발된 제트-디스크 공생 모델이 블랙홀 질량 스케일 전반에 걸쳐 일반화될 수 있음을 제안한다. 이는 마이크로쿼사르를 포함한 모든 질량 범위에 적용 가능하다. 연구는 제트 복사만으로도 관측된 스펙트럼과 변수성을 설명할 수 있음을 보이며, 이중 블랙홀 병합에서 스핀의 기울기로 인해 강한 각운동량 억제와 스핀 반전이 발생함을 보여주며, 이는 높은 최종 스핀을 유지하고 효율적인 제트 형성 및 스핀에 의존하는 중력파 방출을 가능하게 한다.

ABSTRACT

In this short review we describe some of the latest endeavours to understand the activity around Black Holes. First, it has been possible to demonstrate that a large part of the electromagnetic emission observed can be interpreted as arising from the jet; this explains at once all spectral features and their variability. Second we dwell on the concept that merging galaxies naturally lead to merging Black Holes. Here we emphasize two aspects: a) the torque exerted by the binary Black Holes carves a torus like distribution out of the stellar population near to the Black Hole binary; b) We consider the last stages of the Black Hole binary merger, taking into account the angle between the spin of the primary Black Hole, and the orbital spin of the second Black Hole. We show that the loss of orbital angular momentum is very strongly spin-dependent; for large angles between the two spins the angular momentum loss is strongly inhibited, allowing spin flip of the primary Black Hole which preserves a high angular momentum relative to the maximum allowed. This ensures that both before and after the merger the accretion disk may reach to very small distances from the central Black Hole, with very high local temperatures right near the base of the jet: This is especially interesting in the case that forming the jet requires the formation of an ADAF like ring near the inner edge of the disk, as suggested by some earlier work. It also may have consequences for the initial hadronic interactions right near the base of the jet. Finally, this may also have important implications for the discovery of gravitational radiation bursts from the merger of black holes; the spin dependence needs to be taken into account.

연구 동기 및 목표

• 제트-디스크 공생 모델이 초거대 블랙홀에 효과적인 바탕으로, 별질량 블랙홀(마이크로쿼사르)에도 적용 가능한지 테스트하는 것.
• 특히 스핀이 기울어진 이중 블랙홀 병합이 각운동량 손실과 최종 스핀 방향에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 스핀에 의존하는 병합 역학의 결과가 은하핵의 활성 디스크 구조, 제트 형성, 중력파 탐지에 미치는 영향을 탐색하는 것.
• 적색/藍색 초거성에서 오는 항성 바람이 활성 은하핵에서 관측된 토러스를 형성할 수 있는지 검토하는 것.
• 스핀 기울기가 블랙홀 병합 탐지에 사용되는 중력파 템플릿에 어떤 영향을 미치는지 평가하는 것.

제안 방법

• 충격 가속을 핵심 메커니즘으로 삼아, 상대론적 제트에서 발생하는 동기복사 및 역역산 복사에 기반한 마이크로쿼사르의 전자기 복사 모델링.
• 질량과 에너지 보존 법칙에 기반한 척도 법칙을 적용하여 마이크로쿼사르를 더 큰 활성 은하핵과 연결하는 것.
• 이중 블랙홀 병합 중 궤도 각운동량 손실을 스핀-궤도 각도의 함수로 계산하기 위해 수치 시뮬레이션을 사용하는 것.
• 주요 블랙홀의 스핀과 보조 블랙홀의 궤도 각운동량 간의 각도가 중력파 방출에 미치는 영향 분석.
• 제트 형성의 전조로 볼 수 있는 내부 디스크 가장자리 근처에 ADAF 유사 구조 형성 평가.
• 모델 예측을 마이크로쿼사르의 천체망원경 X선 관측(CHASE) 결과와 비교하여 제트-디스크 공생 모델의 타당성 검증.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 제트-디스크 공생 모델은 디스크 복사 기여가 미미한 조건에서 마이크로쿼사르의 전체 전자기 스펙트럼을 설명할 수 있는가?
• RQ2 보조 블랙홀의 궤도 각운동량과 주 블랙홀의 스핀 간의 각도가 병합 중 각운동량 손실에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 스핀 기울기의 영향은 병합 후 최종 스핀 상태와 각운동량에 어떤 의미를 갖는가?
• RQ4 밀도가 높은 핵 영역에서 진화한 별들에서 오는 항성 바람이 활성 은하핵에서 관측된 토러스를 형성할 수 있는가?
• RQ5 스핀에 의존하는 각운동량 손실은 블랙홀 병합에서의 중력파 신호에 어떻게 영향을 미치며, 이는 탐지 템플릿에 어떤 함의를 갖는가?

주요 결과

• 제트-디스크 공생 모델은 마이크로쿼사르의 전체 전자기 스펙트럼을 성공적으로 설명하며, 거의 모든 복사가 제트에서 기인하고 디스크 또는 디스크 코로나의 기여는 미미하다.
• 이중 블랙홀 병합 중 궤도 각운동량 손실은 보조 블랙홀의 궤도 스핀과 주 블랙홀의 내재 스핀 간의 각도에 크게 의존하며, 기울어진 구성에서는 심각한 억제 현상이 관찰된다.
• 병합 과정 중 주 블랙홀의 스핀 반전이 발생할 수 있으며, 궤도 각운동량의 완전한 제거가 이루어지지 않아 최대 允許된 값에 가까운 높은 최종 스핀을 유지한다.
• 높은 최종 스핀은 병합 전·후 모두 사건의 지평선 근처에서 매우 작은 반경까지 확장된 적축 디스크를 보장하며, 이는 제트 기저 근처의 고온 지역을 초래한다.
• 내부 디스크 가장자리 근처에 ADAF 유사 구조가 존재할 경우 제트 형성에 핵심적인 역할을 할 수 있으며, 제트 기저 영역 내의 하드론 상호작용에 영향을 줄 수 있다.
• 스핀에 의존하는 각운동량 손실은 중력파 템플릿에 반드시 포함되어야 하며, 특히 큰 스핀-궤도 기울기 시스템에서는 파형이 크게 변형되기 때문이다.