[论文解读] The final plunge of spinning binary black holes
本文通过从内稳定圆轨道（ISCO）附近到最终克尔残余黑洞的全数值模拟，研究了旋子双黑洞并合过程，结果显示最终黑洞的自旋参数约为 $ a/M \approx 0.72 + 0.32(s/m_H) $，表明即使初始自旋适中，也极不可能形成最大自旋的黑洞。波形保留了非旋情况下的定性形状，支持对旋子双黑洞使用质量重标度近似方法。
We present the results of the full numerical computation of the gravitational radiation generated by the evolution of a series of binary black hole configurations with aligned and counter-aligned spins, $s$, with the orbital angular momentum from near the innermost stable circular orbit (ISCO) down to the final single rotating black hole. While nonspinning binary black holes lead to a final Kerr hole with rotation parameter $a/M\\approx0.72$, for the moderate spinning holes studied in detail here the remnant Kerr black formed at the end of an inspiral process have a rotation parameter $a/M\\approx0.72+0.32(s/m_H)$, suggesting it is difficult (though not excluded) to end up with near maximally rotating holes from such scenarios. The resulting waveforms have still the same qualitative simple looking of the nonspinning binaries, supporting the idea that a total mass rescaling of the latter waveforms can produce an approximate description for the spinning binary case.
研究动机与目标
- 研究共线与反向自旋如何影响并合后黑洞的最终自旋。
- 确定旋子双黑洞的引力波形是否保留了非旋情况下所见的简单结构。
- 评估从具有适中自旋的双黑洞并合中形成接近最大自旋黑洞的可能性。
- 评估使用质量重标度的非旋波形作为旋子双黑洞波形近似方法的有效性。
提出的方法
- 从接近 ISCO 的位置开始，执行全数值相对论模拟，直至形成最终的单个黑洞。
- 对具有不同自旋大小和取向的旋子双黑洞配置进行演化，以计算最终克尔参数。
- 将最终黑洞的自旋参数 $ a/M $ 作为初始自旋 $ s $ 和总质量 $ m_H $ 的函数进行计算。
- 比较旋子与非旋情况下的波形形态，以评估结构相似性。
- 模拟过程中追踪了并合过程在俯冲与振荡衰减阶段的引力辐射输出。
实验结果
研究问题
- RQ1由具有适中自旋（共线或反向）的双黑洞并合形成的残余黑洞的最终自旋参数是多少？
- RQ2旋子双黑洞的引力波形在形状上与非旋双黑洞的波形有何异同？
- RQ3能否基于总质量对非旋波形进行重标度，以近似表示旋子双黑洞的波形？
- RQ4从具有适中初始自旋的双黑洞并合中，是否可能形成接近最大自旋的黑洞？
主要发现
- 由双黑洞并合形成的最终克尔黑洞的自旋参数 $ a/M \approx 0.72 + 0.32(s/m_H) $，表明其对初始自旋有强烈依赖性。
- 即使初始自旋适中，最终黑洞也很少达到最大自旋，表明此类并合极不可能产生接近最大自旋的克尔黑洞。
- 旋子双黑洞的引力波形保留了与非旋双黑洞相同的定性形状，支持其结构相似性。
- 波形形态的相似性意味着质量重标度的非旋波形可作为旋子双黑洞波形的合理近似。
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