[论文解读] Formation of massive stars and black holes in self-gravitating AGN discs, and gravitational waves in LISA band

Y. Levin|arXiv (Cornell University)|Jul 4, 2003

Astrophysical Phenomena and Observations被引用 4

一句话总结

本文提出，大质量恒星和黑洞在活动星系核（AGN）周围的自引力吸积盘中形成，其中盘面的碎裂导致团块形成、合并，最终坍缩成数十至数百倍太阳质量的恒星。这些恒星演化为恒星级黑洞，向中心超大质量黑洞螺旋下落，产生LISA频段内可探测的引力波爆发，具有独特的信号特征，并可能伴随光学对应体。

ABSTRACT

We propose a scenario in which massive stars form at the outer edges of an AGN accretion disc. We analyze the dynamics of a disc forming around a supermassive black hole, in which the angular momentum is transported by turbulence induced by the disc's self-gravity. We find that once the surface density of the disc exceeds a critical value, the disc fragments into dense clumps. The biggest clumps collapse and form massive stars, which produce few-tens-solar-mass black holes at the end of their evolution. The embedded black holes will interact gravitationally with the massive accretion disc and be dragged towards the central black hole. Merger of a disc-born black hole with the central black hole will produce a burst of gravitational waves. If the central black hole is accreting at a rate comparable to the Eddington limit, the gas drag from the accretion disc will not alter significantly the dynamics of the final year of merger, and the gravitational waves should be observable by LISA. We argue that for a reasonable range of parameters such mergers will be detected monthly, and that the gravitational-wave signal from these mergers is distinct from that of other merger scenarios. Also, for some plausible black hole masses and accretion rates, the burst of gravitational waves should be accompanied by a detectable change in the optical luminosity of the central engine.

研究动机与目标

• 研究在活动星系核（AGN）中超大质量黑洞周围的自引力吸积盘中大质量恒星与黑洞的形成机制。
• 分析盘面自引力与湍流在触发碎裂与团块形成中的作用。
• 评估嵌入黑洞通过吸积加热对盘面稳定性产生的反馈效应。
• 建立盘生黑洞与中心黑洞合并的引力波信号模型，重点关注LISA的可探测性。
• 探讨由于盘面间隙形成，引力波爆发是否可能伴随光学对应体。

提出的方法

• 采用半解析形式推导盘面碎裂的临界条件，包括面密度、温度与标高阈值。
• 应用Toomre稳定性判据，判断自引力盘何时会碎裂为致密团块。
• 通过自引力诱导的湍流建模角动量输运，以Gammie（2001）的模拟结果为基础。
• 通过吸积与并合动力学估算合并团块的上限质量，假设团块高效合并。
• 纳入嵌入黑洞吸积产生的反馈加热，比较Bondi吸积率与亚爱丁顿吸积情景。
• 通过缩放质量吸积历史与体积，构建LISA事件率的简化模型，估算每月并合率。

实验结果

研究问题

• RQ1 自引力AGN吸积盘是否能在表面密度超过临界阈值时碎裂为大质量团块，进而形成数十至数百倍太阳质量的恒星？
• RQ2 嵌入黑洞的吸积反馈如何影响自引力盘的稳定性？
• RQ3 盘生恒星级黑洞与中心超大质量黑洞并合的引力波信号预期为何？是否可在LISA中探测到？
• RQ4 盘相互作用是否能将盘生黑洞的螺旋下落过程圆化，从而产生可建模的引力波信号？
• RQ5 由于靠近中心黑洞的盘面间隙形成，引力波爆发是否可能伴随潜在的光学对应体？

主要发现

• 当表面密度超过临界阈值时，盘面会碎裂为致密团块，导致团块吸积与合并，形成数十至数百倍太阳质量的天体。
• 合并团块的上限质量受动力时标与引力不稳定性限制，表明可能形成极高质量恒星。
• 恒星级黑洞是大质量恒星演化的最终产物，质量约为数十倍太阳质量。
• 若嵌入黑洞以Bondi速率吸积，其反馈可稳定盘面免受Toomre不稳定性影响；否则，盘面仍保持不稳定。
• 并合产生的引力波信号预计可在LISA中探测到，对于合理参数，事件率可能高达每年约10次。
• 在某些情况下，螺旋下落的黑洞可能在盘中打开间隙，产生可探测的引力波爆发光学对应体。