[論文レビュー] The erratic path to coalescence of LISA massive black hole binaries in sub-pc resolution simulations of smooth circumnuclear gas disks

Rafael Souza Lima, Lucio Mayer+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 30, 2020

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、高解像度の流体力学的シミュレーションを用いて、滑らかな環核ガス円盤（CND）内における質量ブラックホール（MBH）二重星の軌道減衰を調査し、円盤のねじり力によって駆動される不規則な減衰プロセスを明らかにした。主な発見は、1パーセク未塔の減衰が非効率的かつ脆弱であり、最終的な遅い段階が高解像度の計算でのみ発現することで、循環円盤（CBD）の形成が可能になることである。これは、ガスに富んだ環境における合体に、星間の3体衝突による硬化が不可欠である可能性を示唆している。

ABSTRACT

We report on high-resolution simulations that explore the orbital decay of massive black hole (MBH) pairs with masses between $10^5$ and $10^7 M_{\odot}$ embedded in a circumnuclear gas disk (CND). An adiabatic equation of state is adopted, with a range of adiabatic indices, which maintains a smooth flow. Mergers between MBHs in this mass range would be detectable by the upcoming Laser Inteferometer Space Antenna (LISA). The orbital evolution is followed from the CND scale ($100$~pc) down to separations of $0.1$--$0.01$~pc at which a circumbinary disk (CBD) could form. The decay is erratic and strongly dependent on the gas flow within the disk, that ultimately determines the net torques experienced by the sinking MBH. Overall, we can identify three different evolutionary stages: (i) an initially slow decay that leads to no significant change in the orbital angular momentum, resulting in some circularization; (ii) a fast migration phase in which the orbital angular momentum decreases rapidly; and (iii) a final, very slow decay phase, in which orbital angular momentum can even increase, and a CBD can form. The fast migration phase owes to disk-driven torques originating primarily from the co-orbital region of the secondary MBH, at a distance of 1--3 Hill radii. We find strong analogies with fast Type III migration for massive planets in protoplanetary disks. The CBD forms only when the decay rate becomes small enough to allow it enough time to carve a cavity around the primary MBH, at scales $\lesssim 1$~pc; when this happens, the MBH separation nearly stalls in our higher-resolution run. We suggest an empirically modified gap-opening criterion that takes into account such timescale effects as well as other deviations from standard assumptions made in the literature. [Abriged]

研究の動機と目的

• 100パーセクから0.01パーセクまでのスケールで、環核ガス円盤（CND）内における質量ブラックホール（MBH）二重星の軌道減衰を調査すること。
• 1パーセク未塔の距離におけるMBH二重星の移動の効率性とメカニズムが、ガス円盤の構造と解像度にどのように依存するかを特定すること。
• 重力波放出の重要な前駆体である循環円盤（CBD）が形成される条件を評価すること。
• 高解像度かつ滑らかなCNDシミュレーションにおける標準的なギャップ形成基準の限界を評価し、経験的に修正された基準を提案すること。
• 「最終パーセク問題」への影響と、3体星間衝突のような追加の硬化機構の役割を検討すること。

提案手法

• 質量が10⁵〜10⁷ M☉の滑らかで圧力支持されたCND内におけるMBH二重星の高解像度スムージング粒子法（SPH）シミュレーションを実施した。
• 滑らかなガスの流れを維持し、円盤の温度と圧力を制御するために、異なる多項指数を用いた断熱状態方程式を採用した。
• 100パーセクから0.01パーセクまでの軌道的進化を追跡し、ねじり力駆動の移動と角運動量の変化に注目した。
• 移動時間スケールと非理想状態を考慮して、標準的なギャップ形成基準を経験的に修正するための現象的パラメータgを導入した。
• 高解像度と低解像度の計算結果を比較し、キャビティおよびCBD形成に及ぼす解像度依存性の影響を分離した。
• 特に1〜3倍のヒル半径圏内の共軌道領域からのねじり力寄与を分析し、高速移動段階の原因を特定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 滑らかなCND内におけるMBH二重星の軌道減衰は、100パーセクから1パーセク未塔のスケールにかけてどのように進行するのか。また、異なる段階で何が減衰を駆動しているのか。
• RQ2 循環円盤（CBD）が形成される条件は何か。また、解像度がこのプロセスにどのように影響するか。
• RQ3 1パーセク未塔の距離で減衰速度が非効率的かつ不規則になるのはなぜか。最終的な遅れや停止を引き起こす物理的メカニズムは何か。
• RQ4 特に第二のMBHの共軌道領域からの円盤駆動ねじり力が、高速移動段階にどのように寄与しているか。
• RQ5 高解像度かつ滑らかなCNDシミュレーションにおいて、標準的なギャップ形成基準を信頼して適用できるのか。それとも、経験的に調整する必要があるのか。

主な発見

• 軌道減衰は三つの明確な段階に分けられる：初期のゆっくりとした段階（円形化）、1〜3倍のヒル半径圏内の共軌道領域からのねじり力によって駆動される高速移動段階、そして角運動量が逆転する可能性がある最終的なゆっくりとした段階。
• 高速移動段階は、主に第二のMBHの共軌道領域のガスからのねじり力によって駆動されるタイプIII系の系に類似しており、主にその領域のガスが支配的である。
• 循環円盤（CBD）は、減衰速度が十分に遅くなり、主なMBHの周囲に1パーセク以下のスケールでキャビティが形成される高解像度の計算でのみ形成される。
• 低解像度の計算では、急速な減衰がギャップおよびCBD形成を抑制し、より速い軌道減衰と停止のない状態が生じる。
• 標準的なギャップ形成基準は、時間スケールの効果のため、これらのシミュレーションでは失敗する。経験的に修正された基準（fudgeパラメータgを用いたもの）は、移動が遅くなるとCBD形成を的確に予測できる。
• CBDおよびキャビティが存在する状況でも、MBH二重星は非ゼロの離心率を維持しており、星間の3体衝突による硬化機構は1パーセク未塔のスケールでも有効な硬化メカニズムのままである。