[论文解读] Accretion onto a Supermassive Black Hole Binary Before Merger

Mark Avara, Julian H. Krolik+4 more|arXiv (Cornell University)|May 29, 2023

Black Holes and Theoretical Physics被引用 8

一句话总结

本论文展示了首个等质量、无自旋超大质量黑洞双体在从20M收缩至约9M过程中的相对论性3D GRMHD 模拟，显示持续吸积略有下降且具有丰富的电磁特征。

ABSTRACT

While supermassive binary black holes inspiral toward merger they may also experience significant accretion of matter from a surrounding disk. We study the dynamics of this system, simultaneously describing the evolving spacetime and magnetized plasma, and present the first relativistic calculation simulating two equal-mass, non-spinning black holes as they inspiral from a $20M$ ($G=c=1$) initial separation almost to merger, $\simeq 9M$ ($M$=binary mass). Our dynamical results imply important observational consequences: for instance, the accretion rate $\dot M$ onto the black holes first decreases and then reaches a plateau, dropping by only a factor of $\sim 3$ despite the rapid inspiral. An estimated bolometric light curve thus suggests some merging SMBBHs may be quite luminous past the predicted decoupling from the circumbinary disk. The minidisks through which the accretion reaches the black holes are very non-standard: Reynolds, not Maxwell, stresses dominate, and they oscillate between two states. In one part of the cycle, ``sloshing" streams transfer mass from one minidisk to the other through the L1 point at a rate $\sim 0.1 imes$ the accretion rate, carrying kinetic energy at a rate that can be as large as the peak minidisk bolometric luminosity. We also discover that episodic accretion drives minidisks with time-varying tilts. The unsigned poloidal magnetic flux on the black hole event horizon is roughly constant at a dimensionless level $ϕ\sim 2-3$, but doubles just before merger; if the black holes had significant spin, this flux indicates the potential for powerful jets with variability driven by binary dynamics, another prediction of potentially unique EM signatures. This simulation is the first to employ our multipatch infrastructure \pwmhd, decreasing computational expense to $\sim 3\%$ of conventional single-grid methods' cost.

研究动机与目标

• 研究二元黑洞系统在向合并螺旋时的气体动力学与吸积问题。
• 确定环双黑洞圆盘如何向两枚迷你盘以及双黑洞本身供给物质，包括随时间变化的吸积率。
• 识别晚期轨道收缩与接近合并时可观测的电磁信号。
• 探索磁场、扭矩及圆盘不稳定性在吸积与辐射中的作用。

提出的方法

• 在一个随时间变化的时空中求解广义相对论磁水力方程，近似通过将Schwarzschild贴片匹配到2.5PN/3.5PN 的时空来描述双黑洞。
• 使用新的多补丁基础设施（PatchworkMHD），包含两个补丁区（外部球形CBD区域与内部笛卡尔坐标迷你盘区域），以避免坐标奇点并降低计算成本。
• 以理想MHD对带磁气体进行演化，并基于目标熵的冷却方案辐射耗散的热量。
• 通过约束传输（FluxCT）表示磁场演化，并在补丁边界处进行散发清理以尽量减少磁发散误差。
• 从预先平衡的RunSE态初始化环双圆盘，修改内部区域以适应两补丁设置，并沿时间运行~36个双黑洞轨道（从20M到约9M）。
• 提供多种分辨率（PM.IN20s 与 PM.IN20sHR）以测试收敛性并与单网格大网格结果进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 随着双黑洞从20M收缩到约9M，来自环双圆盘的气体如何进入两个迷你盘？
• RQ2 对每个黑洞以及合并后的双黑洞，总的吸积率如何随时间变化，且分离距离减小时如何演化？
• RQ3 晚期轨道收缩期间迷你盘、来回涌动的气流以及圆盘倾斜产生的电磁信号有哪些？
• RQ4 黑洞视界上的磁通量如何演化，以及并合过程对喷流产生的潜在影响？

主要发现

• 当分离距离缩短时，双黑洞的总吸积率大约下降了3–4倍，但在进入最终阶段之前大致保持稳定。
• 估算的总体光曲线与吸积率的变化趋势相同，表明尽管二元系统演化，合并附近仍可能产生显著的电磁辐射。
• 迷你盘主要由雷诺应力支配，而非麦克斯韦应力，并表现出循环状态的变化，伴随断续的“sloshing”流将质量跨越缝隙以约10% 的吸积率转移，同时携带大量动能。
• 通过颤动跃迁的质量转移可在冲击中沉积能量，产生的耗散率可与迷你盘光度相当。
• 偶发的吸积驱动迷你盘相对于轨道平面获得时变倾角，导致周期性的光曲线特征。
• 视界上的无符号轴向磁通 φ≈2–3，在合并前翻倍，若自旋显著，则预示着强力喷流的潜在可能性。