[论文解读] Binary Black Hole Merger Rates in AGN Disks versus Nuclear Star Clusters: Loud beats Quiet

K. E. Saavik Ford, Barry McKernan|arXiv (Cornell University)|Sep 7, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 4

一句话总结

本文表明，活动星系核（AGN）盘中的双黑洞（BBH）并合率显著高于宁静核球状星团（NSC）中的并合率，主要原因在于AGN中快速的硬化过程使BBH寿命缩短至硬-软边界以下，而NSC中由于电离作用，双星能存活更长时间。作者估算AGN可能贡献了LIGO-Virgo观测到的BBH并合率的25%–80%，而高代次的级联并合则作为深势阱中AGN起源的独特示踪器。

ABSTRACT

Galactic nuclei are promising sites for stellar origin black hole (BH) mergers, as part of merger hierarchies in deep potential wells. We show that binary black hole (BBH) merger rates in active galactic nuclei (AGN) should always exceed merger rates in quiescent galactic nuclei (nuclear star clusters, NSCs) around supermassive BHs (SMBHs) without accretion disks. This is primarily due to average binary lifetimes in AGN that are significantly shorter than in NSCs. The lifetime difference comes from rapid hardening of BBHs in AGN, such that their semi-major axes are smaller than the hard-soft boundary of their parent NSC; this contrasts with the large average lifetime to merger for BBHs in NSCs around SMBHs, due to binary ionization mechanisms. Secondarily, merger rates in AGNs are enhanced by gas-driven binary formation mechanisms. Formation of new BHs in AGN disks are a minor contributor to the rate differences. With the gravitational wave detection of several BBHs with at least one progenitor in the upper mass gap, and signatures of dynamical formation channels in the $χ_{ m eff}$ distribution, we argue that AGN could contribute $\sim 25\%-80\%$ of the LIGO-Virgo measured rate of $\sim 24 m{Gpc}^{-3} m{yr}^{-1}$.

研究动机与目标

• 比较超大质量黑洞（SMBH）周围活动星系核（AGN）盘与宁静核球状星团（NSC）中的BBH并合率。
• 识别驱动AGN与NSC环境间并合率差异的主要物理机制。
• 评估AGN对观测到的LIGO-Virgo BBH并合率的贡献，特别是通过级联并合途径。
• 评估气体驱动形成与电离过程在塑造并合率差异中的作用。

提出的方法

• 使用气体驱动硬化与动力摩擦模型模拟AGN盘中BBH的演化，以计算并合 timescales。
• 将这些timescales与气体贫乏NSC中的情况对比，后者以双星电离为主导，从而延长其寿命。
• 利用蒙特卡洛模拟在不同AGN与NSC条件下（包括气体密度与盘寿命）估算并合率。
• 纳入AGN盘中双星形成的机制，包括气体吸积导致的原位黑洞形成。
• 分析级联并合的质量、自旋与偏心率分布，以识别AGN特有的特征。
• 基于LIGO-Virgo观测结果（特别是级联并合率）校准源自AGN的BBH并合比例。

Figure 1: Relative rate densities of BBH mergers in active versus quiescent galactic nuclei. For nuclei containing an SMBH, assuming $f_{A,b}/f_{G,b}=1$ , $t_{G,b}=40{\rm Gyr}$ , $t_{A,b}=1{\rm Myr}$ , we find that almost regardless of the fraction of galactic nuclei that are involved in acceleratin

实验结果

研究问题

• RQ1 是什么导致了AGN盘与宁静NSC之间BBH并合率的差异？
• RQ2 为何BBH在AGN中的寿命显著短于在NSC中？
• RQ3 AGN中气体驱动的形成机制在速率差异中贡献多大？
• RQ4 高代次级联并合是否能唯一标识AGN为BBH并合的起源？
• RQ5 基于当前数据，可归因于AGN的观测到的LIGO-Virgo BBH并合率占比是多少？

主要发现

• 由于快速硬化使半长轴缩短至硬-软边界以下，AGN盘中的BBH并合率始终高于宁静NSC。
• 这一速率差异的主要驱动力是AGN中BBH平均寿命更短，源于致密气体盘中高效的硬化过程。
• AGN中次要的增强效应来自气体驱动的双星形成，但其对整体速率差异的贡献仅占较小比例。
• AGN可能贡献了约24 Gpc⁻³ yr⁻¹的LIGO-Virgo测量BBH并合率的25%至80%。
• 若初始黑洞自旋接近零，则高代次级联并合（n > 3）可唯一指示AGN起源；若自旋适中或存在偏心率，则n > 2或n > 1即可作为指示。
• 对BBH并合贡献最显著的AGN是那些寿命短于5 Myr且气体密度高于10⁻¹¹ g cm⁻³的系统，这类系统限制了LISA可探测的中等质量黑洞-SMBH双星形成。