[论文解读] AGN as Potential Factories for Eccentric Black Hole Mergers

J. Samsing, I. Bartos+7 more|arXiv (Cornell University)|Oct 19, 2020

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 24

一句话总结

该论文提出，由于频繁发生的近共面双星-单星相互作用，并在2.5阶后牛顿引力波辐射的增强下，活动星系核（AGN）盘可作为偏心黑洞并合的工厂。研究表明，与三维恒星团相比，此类环境能产生显著更高的偏心并合率，特别是具有可测量偏心率（在10 Hz时 >0.1）的并合，其三体并合概率在二维盘几何结构中可高达100倍，且自旋-轨道倾角分布与GW190521的观测特征相符。

ABSTRACT

There is some weak evidence that the black hole merger named GW190521 had a non-zero eccentricity. In addition, the component black holes' masses exceeded the limit predicted by stellar evolution. The large masses can be explained by successive mergers, which may be efficient in gas disks surrounding active galactic nuclei (AGN), but it is difficult to maintain an eccentric orbit all the way to the merger, as basic physics would argue for circularization. Here we show that AGN-disk environments can lead to an excess of eccentric mergers, if the interactions between single and binary black holes are frequent, and occur with mutual inclinations of less than a few degrees. We further illustrate that this eccentric population has a different distribution of the inclination between the spin vectors of the black holes and their orbital angular momentum at merger, referred to as the spin-orbit tilt, compared to the remaining circular mergers.

研究动机与目标

• 研究AGN盘环境是否能自然产生具有可测量引力波偏心率的偏心黑洞并合。
• 确定AGN盘的二维几何结构相较于三维恒星团如何影响并合动力学。
• 评估引力波辐射（通过2.5-PN项）在双星-单星相互作用期间维持偏心率的作用。
• 在AGN盘起源框架下，解释GW190521的观测特性，特别是其非零偏心率和约90°的自旋-轨道倾角。
• 量化二维盘状环境相较于各向同性三维散射环境，在并合率与偏心率群体方面的增强程度。

提出的方法

• 在AGN盘环境中执行受控的2.5阶后牛顿（2.5-PN）N体模拟，聚焦于共面（ψ=0°）与倾斜（ψ≈0.5°）构型的双星-单星黑洞相互作用。
• 使用包含2.5-PN项以准确模拟近距离遭遇期间能量损失与轨道演化的2.5-PN N体代码，计入引力波辐射。
• 将模拟限制在强散射区域，即近日点距离与双星半长轴相当，排除弱相互作用或受盘影响的相互作用。
• 对双星轨道相位进行随机化，并假设来自无穷远处的单个黑洞具有各向同性入射参数。
• 将结果分类为双体并合（幸存双星并合）与三体并合（三者均束缚并共同并合），分析偏心率与并合时间。
• 通过基于偏心率分布差异的解析近似，计算二维（AGN盘）与三维（恒星团）情况下的并合概率比：二维中P(e) ∝ e/√(1−e²)，三维中P(e) ∝ 2e。

实验结果

研究问题

• RQ1 AGN盘环境是否能因动力学相互作用而产生显著的偏心黑洞并合群体？
• RQ2 AGN盘的二维盘几何结构相较于三维各向同性环境，如何增强偏心并合的形成？
• RQ3 在AGN盘中，引力波辐射（通过2.5-PN项）在双星-单星相互作用期间维持偏心率的作用是什么？
• RQ4 GW190521的观测特性——特别是其偏心率与约90°的自旋-轨道倾角——能否通过AGN盘环境中的并合来解释？
• RQ5 与三维恒星团相比，二维盘状环境在并合率与偏心率群体方面相对增强了多少？

主要发现

• 对于质量约为20 M☉、半长轴a ≈ 1 AU的等质量双星，二维AGN盘环境中的三体并合概率相比三维恒星团最多增强约10²倍。
• 二维环境中的双体并合概率相比三维环境增强约10¹倍，其缩放关系为 ∝ (m/20 M☉)^{-6/14} (a/1 AU)^{8/14} (t_int/10⁵ yr)^{-1/7}。
• 形成在f_GW ≥ 10 Hz时具有可测量偏心率（>0.1）的并合概率，在二维环境中相比三维环境增强约10²倍，其缩放关系为 ∝ (m/20 M☉)^{-1/6} (a/1 AU)^{5/14}。
• 在非等质量模拟中（40 M☉, 20 M☉双星 + 20 M☉单体），约40%的2-和3体并合在t_GW < 10⁵ yr内表现出f_GW > 10 Hz时e > 0.1，表明该结果在非等质量情况下也具有鲁棒性。
• 偏心并合群体的分布与三体并合群体高度一致，表明在AGN盘中，三体相互作用是偏心并合的主要通道。
• AGN盘中并合的自旋-轨道倾角分布与圆形并合显著不同，具有更高比例的系统表现出大倾角（~90°），与GW190521的观测特性一致。