[论文解读] Black Hole Binary Formation in AGN Discs: From Isolation to Merger

Connar Rowan, Tjarda Boekholt+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 12, 2022

Astrophysical Phenomena and Observations被引用 5

一句话总结

本研究首次对活动星系核（AGN）盘中恒星级质量黑洞双星的形成进行了三维全局流体动力学模拟，结果表明气体动力学通过引力和吸积力矩高效地捕获并使双星硬化。逆行双星在高偏心率下于近日点附近发生快速并合，仅需数千圈轨道周期即可完成并合——远短于AGN盘的寿命，证实AGN盘是极高效的并合通道。

ABSTRACT

Motivated by the increasing number of detections of merging black holes by LIGO-VIRGO-KAGRA, black hole (BH) binary mergers in the discs of active galactic nuclei (AGN) is investigated as a possible merger channel. In this pathway, BH encounters in the gas disc form mutually bound black hole binary systems through interaction with the gas in the disc and subsequently inspiral through gravitational torques induced by the local gas. To determine the feasibility of this merger pathway, we present the first 3D global hydrodynamic simulations of the formation and evolution of a stellar-mass BH binaries AGN discs with three different AGN disc masses and five different initial radial separations. These 15 simulations show binary capture of prograde and retrograde binaries can be successful in a range of disc densities including cases well below that of a standard radiatively efficient alpha disc, identifying that the majority of these captured binaries are then subsequently hardened by the surrounding gas. The eccentricity evolution depends strongly on the orbital rotation where prograde binaries are governed by gravitational torques form their circumbinary mini-disc, with eccentricities being damped, while for retrograde binaries the eccentricities are excited to > 0.9 by accretion torques. In two cases, retrograde binaries ultimately undergo a close periapsis passage which results in a merger via gravitational waves after only a few thousand binary orbits. Thus, the merger timescale can be far shorter than the AGN disc lifetime. These simulations support an efficient AGN disc merger pathway for BHs.

研究动机与目标

• 通过直接流体动力学模拟，研究在活动星系核（AGN）盘中形成并合并黑洞双星的可行性。
• 确定气体动力学（包括动力摩擦、吸积和引力力矩）对双星捕获、偏心率演化和硬化的影响。
• 评估AGN盘是否可作为产生并合黑洞（特别是LIGO-Virgo-KAGRA观测到的‘质量间隙’黑洞）的高效通道。
• 在不同盘密度和初始间距下，比较顺行与逆行双星的演化，识别力矩机制的关键差异。
• 评估超爱丁顿吸积和引力波辐射在高偏心率近日点通过后驱动快速并合中的作用。

提出的方法

• 对嵌入AGN盘中的黑洞双星进行了15组三维全局流体动力学模拟，涵盖不同盘质量（低、标准、高）和初始径向间距。
• 采用光滑粒子流体动力学（SPH）模拟气体动力学，包含自重力和黏性应力，使用高分辨率以捕捉吸积盘（CBMD）的形成。
• 追踪双星偏心率、半长轴和角动量随时间的演化，重点关注气体和吸积过程产生的力矩。
• 对高偏心率双星在近日点模拟引力波能量损失，以评估并合可能性。
• 分析轨道方向（顺行与逆行）对主导力矩（引力力矩与吸积力矩）的影响，及其对偏心率阻尼或激发的作用。
• 使用SPLASH进行可视化，利用Hydra HPC集群进行计算，数据可应要求提供。

实验结果

研究问题

• RQ1 富含气体的AGN盘是否能高效捕获通过近距离相遇形成的恒星级质量黑洞双星，即使在低密度条件下？
• RQ2 周围气体产生的引力力矩和吸积力矩如何影响顺行与逆行双星的偏心率和硬化？
• RQ3 超爱丁顿吸积在双星捕获和圆化过程中耗散轨道能量中起什么作用？
• RQ4 高偏心率的逆行双星是否可在近日点附近近距离通过后通过引力波辐射实现快速并合？
• RQ5 在何种条件下双星会与盘脱耦或发生取向翻转？这如何影响其并合前景？

主要发现

• 通过气体辅助的雅可比相互作用实现双星捕获在低密度AGN盘中也成功，捕获截面因气体动力学而增强。
• 顺行双星因吸积盘产生的引力力矩而出现偏心率阻尼，偏心率降至0.3以下，半长轴通过负力矩减小。
• 逆行双星因吸积力矩作用出现强烈偏心率激发（e > 0.9），导致多次近日点近距离接近。
• 在两个案例中，逆行双星在约1,000–2,000圈轨道后即通过引力波辐射发生并合，这是由于近日点处的能量耗散所致。
• 吸积在捕获阶段主导轨道能量去除，观测到超爱丁顿吸积率，表明未来模型中不可忽略吸积作用。
• 存在显著的双峰分布：顺行双星被阻尼并硬化，而逆行双星可能翻转取向或脱耦，但保持逆行且达到高偏心率的双星会迅速并合。