[论文解读] The Evolution of Inclined Binary Black Holes in the Disks of Active Galactic Nuclei

Alexander J. Dittmann, Adam M. Dempsey+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 5, 2023

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 4

一句话总结

本研究首次对活动星系核（AGN）盘中倾角倾斜的双黑洞进行了三维、高分辨率的流体动力学模拟，揭示了由于盘面相互作用，逆行双黑洞的并合速度比顺行双黑洞快达四倍。模拟结果表明，所有非共面双黑洞均被驱动趋向对齐，从而引发ZLK振荡，可激发高偏心率并提升成对不稳定性质量间隙内双黑洞的并合率。

ABSTRACT

The accretion disks that fuel active galactic nuclei (AGN) may house numerous stars and compact objects, formed in situ or captured from nearby star clusters. Embedded neutron stars and black holes may form binaries and eventually merge, emitting gravitational waves detectable by LIGO/VIRGO. AGN disks are a particularly promising environment for the production of high-mass gravitational wave events involving black holes in the pair instability mass gap, and may facilitate electromagnetic counterparts to black hole binary mergers. However, many orders of magnitude separate the typical length scales of binary formation and those on which gravitational waves can drive binary inspirals, making binary mergers inside the disk uncertain. Previous hydrodynamical simulations of binaries have either been restricted to two dimensions entirely, or focused on binaries aligned with the midplane of the disk. Herein we present the first three-dimensional, high-resolution, local shearing-box hydrodynamical simulations of disk-embedded binaries over a range of orbital inclinations. We find that retrograde binaries can shrink up to four times as quickly as prograde binaries, and that all binaries not perfectly aligned (or anti-aligned) with the AGN disk are driven into alignment. An important consequence of this is that initially retrograde binaries will traverse the inclinations where von Zeipel-Lidov-Kozai oscillations can drive binary eccentricities to large values, potentially facilitating mergers. We also find that interactions with the AGN disk may excite eccentricities in retrograde binaries and cause the orbits of embedded binaries to precess.

研究动机与目标

• 研究任意倾角双黑洞在AGN盘中的轨道演化与吸积动力学，突破以往二维或仅限顺行的模拟局限。
• 确定盘面相互作用如何影响非共面双黑洞的并合速率、偏心率激发以及倾角阻尼。
• 评估AGN盘中引力波驱动并合的可能性，特别是针对成对不稳定性质量间隙内的双黑洞。
• 探讨盘面驱动的进动及共振效应（如冯·泽佩尔-利多夫-科扎伊，ZLK）在倾斜系统中的作用。
• 评估在富含气体的盘环境中原发电磁对应体的可行性。

提出的方法

• 采用Athena++代码，基于理想气体状态方程，开展三维局部剪切盒流体动力学模拟。
• 模拟了从0°到180°的轨道倾角双黑洞系统，包括顺行（i_b < 90°）与逆行（i_b > 90°）构型，且具备高分辨率。
• 通过时间分辨分析半长轴、偏心率、倾角及角动量演化，追踪双黑洞演化过程。
• 量化各黑洞周围的吸积速率与迷你盘结构，重点关注非共面构型。
• 分析盘面驱动的近日点幅角与升交点经度的进动，评估系统对共振现象的敏感性。
• 比较不同倾角下的并合速率，识别出逆行双黑洞收缩最快的条件。

实验结果

研究问题

• RQ1 轨道倾角如何影响AGN盘中双黑洞的并合 timescale？
• RQ2 盘面相互作用在多大程度上驱动非共面双黑洞的倾角阻尼与对齐？
• RQ3 初始为圆形的倾斜双黑洞是否可能发生盘面诱导的偏心率激发？最大可达到的偏心率是多少？
• RQ4 盘面驱动的进动速率如何影响双黑洞对共振现象（如冯·泽佩尔-利多夫-科扎伊振荡）的敏感性？
• RQ5 逆行与顺行轨道在通过引力波辐射增强并合率方面分别起到何种作用？

主要发现

• 由于盘面施加的更强引力扭矩，逆行双黑洞的并合速度比顺行双黑洞快达四倍。
• 所有未完全共面或反向对齐的双黑洞均经历倾角阻尼，被驱动趋向共面构型。
• 即使对于高度倾斜的双黑洞，其迷你盘通常仍与AGN盘面共面。
• 气流包括中平面喷流、经向环流及直接极向吸积，其中逆行双黑洞表现出更强的动压剥离效应。
• 初始为圆形的倾斜双黑洞可激发偏心率，但由于模拟参数限制，最大偏心率尚未完全确定。
• 观测到近日点幅角与升交点经度的盘面驱动进动，可能引发共振相互作用，如共振进动或ZLK循环。