[論文レビュー] A Full Loss Cone For Triaxial Galaxies

Kelly Holley‐Bockelmann, Steinn Sigurðsson|arXiv (Cornell University)|Jan 23, 2006

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、三軸対称銀河ポテンシャルが中心に向かう軌道（centrophilic orbits）を通じて効率的な角運動量拡산を可能にすることで、星およびコンact物体に対して完全なロスコーンを維持できることを示している。これは、球対称モデルと比較して捕獲率を数個のオーダー上昇させる。天の川銀河のバルジにおいて、白色矮星の捕獲率は年間最大で$10^{-5}$に達する。これは従来の球対称モデル推定値の100倍であり、LISA観測におけるEMRIおよび潮汐破壊イベントの発生率を顕著に向上させる。

ABSTRACT

Stars and compact objects that plunge toward a black hole are either 1) captured, emitting gravitational waves as the orbit decays, 2) tidally disrupted, leaving a disc of baryonic material, 3) scattered to a large radius, where they may thereafter avoid encounters with the black hole or 4) swallowed whole, contributing to black hole growth. These processes occur on a dynamical time, which implies that for a static spherically symmetric stellar system, the loss cone is quickly emptied. However, most elliptical galaxies and spiral bulges are thought to be triaxial in shape. The centrophilic orbits comprising the backbone of a triaxial galaxy have been suggested as one way to keep the loss cone around a supermassive black hole filled with stars, stellar remnants, and intermediate mass black holes. We investigate the evolution of the loss cone population in a triaxial galaxy model with high resolution N-body simulations. We find that enough regular orbits flow through angular momentum space to maintain a full loss cone for a Hubble time. This increases the astrophysical capture rate by several orders of magnitude. In the Milky Way, for example, we find that the white dwarf capture rate can be as high as $10^{-5}$ per year, 100 times larger than previous estimates based on spherical models for the bulge.

研究の動機と目的

• 三軸対称銀河ポテンシャルが、ハッブル時間にわたり星およびコンパクト物体に対して完全なロスコーンを維持できるかどうかを調査すること。
• 三軸性が球対称モデルと比較してロスコーンの補充に与える影響を定量化すること。
• 現実的で非球対称な銀河系における、特大質量ブラックホールの捕獲および潮汐破壊率の増加を推定すること。
• 星の質量比が著しく異なる系における極端質量比インスパイラル（EMRI）発生率および星の降着によるブラックホール成長への影響を評価すること。
• 三軸性が、特大質量ブラックホールへのダークマターの降着を促進する役割を果たす可能性を検討すること。

提案手法

• 三軸対称銀河モデルの高解像度N体シミュレーションを実施し、軌道の進化および角運動量拡散を追跡する。
• ロスコーンの補充に寄与する、角運動量空間を通過する中心に向かう軌道（centrophilic orbits）の特定。
• 同一の初期条件を用いて、三軸対称ポテンシャルと球対称ポテンシャルにおけるロスコーン補充率を比較する。
• 重力波駆動インスパイラルのためのPeters（1964）の式を用いて、捕獲率を推定する。
• 軌道の遠心点および近点を分析し、ロスコーン源の半径的範囲を特定する。
• 星およびコンパクト物体の性質に基づいた潮汐破壊および捕獲断面積を組み込む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 三軸対称銀河ポテンシャルは、ハッブル時間にわたり星およびコンパクト物体に対して完全なロスコーンを維持できるか？
• RQ2 三軸系における角運動量拡散は、球対称系と比較してロスコーンの補充にどの程度寄与するか？
• RQ3 三軸銀河における特大質量ブラックホールの捕獲および潮汐破壊率は、球対称モデルと比較してどの程度増加するか？
• RQ4 大半の半径から出発する中心に向かう軌道は、ロスコーンの構成にどの程度寄与するか？
• RQ5 三軸性は、特大質量ブラックホールへのダークマター降着率を向上させ得るか？

主な発見

• 三軸対称銀河モデルは、中心に向かう軌道による効率的な角運動量拡散のおかげで、ハッブル時間にわたり完全なロスコーンを維持している。
• 天の川銀河のバルジにおける白色矮星捕獲率は、年間最大で$10^{-5}$と推定され、従来の球対称モデル推定値の100倍に達する。
• 三軸系における潮汐破壊率は、年間$1 \times 10^{-3}$星に達する可能性があり、観測されたX線の爆発と整合的である。
• 100 pcを超える遠心点を持つ中心に向かう軌道は、ロスコーンに顕著な寄与を示しており、捕獲プロセスの半径的影響範囲を拡大している。
• 二体緩和のみを考慮しても、三軸系におけるロスコーンは球対称モデルと比較して「過充填状態（supersaturated）」に達することがある。これは、強化された軌道の流れに起因する。
• 二重星系は、中心に向かう軌道を通じてブラックホールに誘導され、高効率な捕獲が可能となり、LISAが検出可能な特徴的な低離心率のEMRI信号を生成する可能性がある。