[论文解读] A Full Loss Cone For Triaxial Galaxies

Kelly Holley‐Bockelmann, Steinn Sigurðsson|arXiv (Cornell University)|Jan 23, 2006

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 10

一句话总结

该论文表明，三轴星系势场通过中心吸引轨道实现高效的角动量扩散，从而维持恒星和致密天体的完整损失锥，与球对称模型相比，捕获率提高了数个数量级。在银河系核球中，白矮星捕获率可达每年 $10^{-5}$，是以往球对称估计值的100倍，显著提升了LISA观测中极端质量比旋进（EMRI）和潮汐撕裂事件的率。

ABSTRACT

Stars and compact objects that plunge toward a black hole are either 1) captured, emitting gravitational waves as the orbit decays, 2) tidally disrupted, leaving a disc of baryonic material, 3) scattered to a large radius, where they may thereafter avoid encounters with the black hole or 4) swallowed whole, contributing to black hole growth. These processes occur on a dynamical time, which implies that for a static spherically symmetric stellar system, the loss cone is quickly emptied. However, most elliptical galaxies and spiral bulges are thought to be triaxial in shape. The centrophilic orbits comprising the backbone of a triaxial galaxy have been suggested as one way to keep the loss cone around a supermassive black hole filled with stars, stellar remnants, and intermediate mass black holes. We investigate the evolution of the loss cone population in a triaxial galaxy model with high resolution N-body simulations. We find that enough regular orbits flow through angular momentum space to maintain a full loss cone for a Hubble time. This increases the astrophysical capture rate by several orders of magnitude. In the Milky Way, for example, we find that the white dwarf capture rate can be as high as $10^{-5}$ per year, 100 times larger than previous estimates based on spherical models for the bulge.

研究动机与目标

• 研究三轴星系势场是否能在哈勃时​​间内维持恒星和致密天体的完整损失锥。
• 量化三轴性对损失锥补充速率的影响，与球对称模型进行比较。
• 估算在真实非球对称星系系统中，超大质量黑洞的增强捕获率和潮汐撕裂率。
• 评估对极端质量比旋进（EMRI）率及通过恒星吸积导致黑洞增长的影响。
• 探讨三轴性在将暗物质输运至超大质量黑洞中的潜在作用。

提出的方法

• 采用高分辨率N体模拟研究三轴星系模型，追踪轨道演化与角动量扩散。
• 识别能穿越角动量空间、补充损失锥的中心吸引轨道。
• 在相同初始条件下，比较三轴与球对称势场中的损失锥补充速率。
• 使用Peters（1964）公式估算引力波驱动的旋进捕获率。
• 分析轨道远星点与近星点，确定损失锥源的径向范围。
• 根据恒星和致密天体的特性，纳入潮汐撕裂与捕获截面。

实验结果

研究问题

• RQ1 三轴星系势场是否能在哈勃时间内维持恒星和致密天体的完整损失锥？
• RQ2 三轴系统中角动量扩散与球对称系统相比，在补充损失锥方面有何差异？
• RQ3 与球对称模型相比，三轴星系中超大质量黑洞的捕获率和潮汐撕裂率提升了多少？
• RQ4 起源于大半径区域的中心吸引轨道对损失锥种群的贡献有多大？
• RQ5 三轴性是否能增强超大质量黑洞对暗物质的吸积率？

主要发现

• 由于中心吸引轨道带来的高效角动量扩散，三轴星系模型在哈勃时间内维持了完整的损失锥。
• 银河系核球中白矮星的捕获率估计高达每年 $10^{-5}$，是以往球对称模型估计值的100倍。
• 三轴系统中的潮汐撕裂率可达到每年 $1 \times 10^{-3}$ 颗星体，与观测到的X射线爆发一致。
• 远星点位于100 pc以外的中心吸引轨道显著贡献于损失锥，扩展了捕获过程的径向影响范围。
• 与球对称模型相比，三轴系统中的损失锥即使仅通过双体弛豫也能实现‘超饱和’状态，这是由于轨道流动增强所致。
• 双星系统可能通过中心吸引轨道被引导至黑洞，实现高效捕获，并可能产生LISA可探测的、低偏心率的特征EMRI信号。