[论文解读] A new mechanism for massive binary black hole coalescences

Kimitake Hayasaki|arXiv (Cornell University)|May 22, 2008

Astrophysical Phenomena and Observations被引用 1

一句话总结

本文提出了一种通过耦合围绕双星系统的吸积盘与双星-盘共振相互作用，实现大质量双黑洞（BBH）并合的新机制。并合 timescale 取决于角动量的净变化：通过盘相互作用提取角动量，以及通过质量转移增加角动量之间的平衡。当质量转移处于亚临界状态时，BBH 会在一个哈勃时标内衰减并并合，从而解决了绝大多数大质量 BBH 的最终 parsec 问题。

ABSTRACT

It is still unknown how the BBH evolves after its semi-major axis reached to the sub-parsec/parsec scale where the dynamical friction with the neighboring stars is no longer effective (the so-called the final parsec problem). In this paper, we propose a new mechanism by which the massive BBH can naturally coalesce within a Hubble time. We study the evolution of the BBH with triple disks which are composed of an accretion disk around each black hole and one circumbinary disk surrounding them. While the circumbinary disk removes the orbital angular momentum of the BBH via the binary-disk resonant interaction, the mass transfer from the circumbinary disk to each black hole adds some fraction of its angular momentum to the orbital angular momentum of the BBH. We find that there is a critical value of the mass-transfer rate where the extraction of the orbital angular momentum from the BBH is balanced with the addition of the orbital angular momentum to the BBH. The semi-major axis of the BBH decays with time whereas the orbital eccentricity of the BBH grows with time, if the mass transfer rate is smaller than the critical one, and vice versa. Its evolutionary timescale is characterized by the product of the viscous timescale of the circumbinary disk and the ratio of the total black hole mass to the mass of the circumbinary disk. Since a minimum value of the critical mass-transfer rate is larger than the Eddington accretion rate of massive black holes with masses in the 10^{6}M_{sun} to $10^{9}M_{sun} range, it is promising that the critical mass-transfer rate is larger than the mass transfer rate. Most of massive BBHs, therefore, enable to merge within a Hubble time by the proposed mechanism, which helps to solve the final parsec problem.

研究动机与目标

• 解决最终 parsec 问题，即双黑洞因动力摩擦效率低下而在亚 parsec 分离距离处停滞的问题。
• 研究三重盘系统（围绕双星的盘 + 两个吸积盘）中的角动量交换是否能驱动大质量 BBH 快速并合。
• 确定大质量 BBH 在哈勃时标内并合的条件。
• 识别 BBH 系统中角动量损失与增加达到平衡时的临界质量转移率。

提出的方法

• 将 BBH 系统建模为嵌入三重盘结构中：每个黑洞周围各有一个独立的吸积盘，以及一个围绕双星的环双星盘。
• 通过双星-盘共振相互作用模拟角动量交换，从 BBH 轨道中提取轨道角动量。
• 引入来自环双星盘的质量转移至每个黑洞，从而向 BBH 轨道增加角动量。
• 计算角动量损失与增加达到平衡时的临界质量转移率，以确定系统的演化命运。
• 利用环双星盘的黏滞时标和黑洞质量与盘质量之比，估算并合时标。
• 将临界质量转移率与爱丁顿吸积率进行比较，以评估其物理可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 三重盘系统中的角动量交换是否能驱动大质量 BBH 在哈勃时标内并合？
• RQ2 BBH 系统中角动量提取与增加达到平衡的临界质量转移率是多少？
• RQ3 当质量转移率高于或低于临界值时，轨道半长轴和偏心率如何演化？
• RQ4 对于大质量黑洞（10⁶–10⁹ M☉），在爱丁顿限制吸积条件下，临界质量转移率是否在物理上可实现？
• RQ5 该机制在多大程度上能解决大质量 BBH 群体中的最终 parsec 问题？

主要发现

• 当质量转移率低于临界值时，BBH 的半长轴减小，偏心率增大，有利于快速并合。
• 当质量转移率超过临界值时，BBH 的半长轴增大，偏心率减小，导致并合延迟。
• 并合时标与环双星盘的黏滞时标及总黑洞质量与盘质量之比的乘积成正比。
• 对于 10⁶–10⁹ M☉ 范围内的大质量黑洞，临界质量转移率超过爱丁顿吸积率，因此具有物理可行性。
• 在该机制下，大多数大质量 BBH 预计将在一个哈勃时标内并合，因为实际质量转移率通常低于临界阈值。
• 该机制通过自然的盘驱动角动量交换，为最终 parsec 问题提供了切实可行的解决方案。