[论文解读] The Evolution of Accreting Binaries: from Brown Dwarfs to Supermassive Black Holes

Alexander J. Dittmann, Geoffrey Ryan|arXiv (Cornell University)|Oct 11, 2023

Astronomy and Astrophysical ResearchPhysics and Astronomy被引用 3

一句话总结

本研究通过不同盘厚度（H/r = 0.1, 0.05, 0.033）和黏性模型的流体动力学模拟，系统研究了质量比从 0.01 到 1 的不等质量双星系统的环双星吸积。结果表明，低质量双星（q ≤ 0.04）通常因引力扭矩减弱而向外螺旋运动，而 q ≈ 0.07 的系统则因非圆模式发展失败而经历快速内旋，冷盘中表现出强烈的变异性与非对称空腔形成。

ABSTRACT

Circumbinary accretion occurs throughout the universe, from the formation of stars and planets to the aftermath of major galactic mergers. We present an extensive investigation of circumbinary accretion disks, studying circular binaries with mass ratios ($q\equiv M_2/M_1$) from 0.01 to 1 and at each mass ratio probing the effects of disk thickness and viscosity. We study disks with aspect ratios $H/r\in\{0.1, 0.05, 0.033\}$, and vary both the magnitude and spatial dependance of viscosity. Although thin accretion disks have previously been found to promote rapid inspirals of equal-mass binaries, we find that gravitational torques become weaker at lower mass ratios and most binaries with $0.01\leq q\leq0.04$ outspiral, which may delay the coalescence of black hole binaries formed from minor mergers and cause high-mass exoplanets to migrate outwards. However, in a number of cases, the disks accreting onto binaries with mass ratios $\sim 0.07$ fail to develop eccentric modes, leading to extremely rapid inspirals. Variability in black hole accretion correlates with disk eccentricity, and we observe variability above the $\sim10\%$ level even for mass ratios of $0.01$. We demonstrate that the spatial dependence of the viscosity (e.g. $α$ vs constant-$ν$) significantly affects the degree of preferential accretion onto the secondary, resolving discrepancies between previous studies. Colder circumbinary disks remain eccentric even at $q\sim0.01$ and sustain deep, asymmetric cavities.

研究动机与目标

• 理解质量比、盘厚度和黏性对不同天体物理尺度下环双星盘中轨道演化和吸积的影响。
• 解决先前研究中关于不等质量双星中次星或行星优先吸积的矛盾结果。
• 研究盘偏心率和黏性分布对双星内旋或向外螺旋的驱动作用，尤其关注低质量伴星的情况。
• 量化吸积率的变异性及其与质量比和盘属性的依赖关系，相关于 LISA 和活动星系核的观测。

提出的方法

• 使用 Athena++ 代码进行流体动力学模拟，对质量比 q ∈ [0.01, 1] 的双星系统建模轴对称、薄至中等厚度的环双星盘。
• 系统性地改变盘标高比（H/r = 0.1, 0.05, 0.033），以探究厚度对扭矩和吸积的影响。
• 实现两种黏性模型：恒定黏性 ν 和 α-黏性（ν ∝ αH²Ω），以评估空间依赖性对吸积不对称性的影响。
• 追踪主星和次星的吸积率、双星轨道演化（半长轴、偏心率）以及盘结构（空腔深度、不对称性）。
• 分析吸积亮度的变异性，对 q = 0.01 的情况设定高于 10% 的检测阈值。
• 采用广泛的黏性幅值范围（ν = 0.0005 至 0.001）以探测不同的吸积状态。

实验结果

研究问题

• RQ1 质量比 q = M₂/M₁ 如何影响净扭矩及环双星盘中双星轨道演化（内旋与向外螺旋）？
• RQ2 为何先前研究对不等质量双星中次星优先吸积的结论存在冲突？黏性分布如何解决这一矛盾？
• RQ3 盘厚度（H/r）在维持低质量双星系统中偏心率和非对称空腔方面起何种作用？
• RQ4 在何种质量比下发生从向外螺旋到快速内旋的转变？其物理机制是什么？
• RQ5 对于低质量双星（q ≤ 0.01），吸积变异性是否超过 10%？其与盘偏心率的关系如何？

主要发现

• 质量比 0.01 ≤ q ≤ 0.04 的双星主要因引力扭矩减弱而向外螺旋运动，导致小质量并合残余物的合并延迟。
• 在 q ≈ 0.07 时，环双星盘无法有效激发偏心模式，导致极快的内旋，吸积率增加数个数量级。
• 即使在 q = 0.01 时，盘偏心率仍显著，维持深而不对称的空腔，并在长时间尺度上持续存在。
• 黏性空间依赖性（α 与恒定 ν）显著改变吸积不对称性，解决了先前模拟研究之间的矛盾。
• 对于 q = 0.01，吸积变异性超过 10%，其强烈调制与盘偏心率相关，即使在冷而薄的盘中亦然。
• 在 q = 0.07 时，次星吸积率比主星高出约 2.05 倍，表明尽管质量比低，仍存在强烈的优先吸积。