[论文解读] Binary black holes and tori in AGN II. Can stellar winds constitute a dusty torus?

Christian J. Zier, Peter L. Biermann|ArXiv.org|Mar 21, 2002

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 87被引用 23

一句话总结

本文提出，双黑洞并合后形成的星团中恒星的星风可形成活动星系核中的不均匀、光学厚尘埃环面。星风受辐射压力影响，被塑造成拉长的自遮蔽尾流，实现覆盖因子为1，从而解释观测到的高柱密度及十年量级的X射线变异性。该模型自然产生与光度和并合质量相关的厚实、成团状环面，为统一模型及射电星系中的自旋翻转事件提供了物理解释。

ABSTRACT

We determine the properties of the stellar torus that we showed in a previous paper to result as a product of two merging black holes. If the surrounding stellar cluster is as massive as the binary black hole, the torque acting on the stars ejects a fraction which extracts all the binary's angular momentum on scales of ~10^7 yr, and a geometrically thick torus remains. In the present article we show that a certain fraction of the stars has winds, shaped into elongated tails by the central radiation pressure, which are optically thick for line of sights aligned with them. These stars are sufficiently numerous to achieve a covering factor of 1, so that the complete torus is optically thick. We find the parameters of such a patchy torus to be in the right range to explain the observed large column densities in AGN and their temporal variations on time scales of about a decade. Within this model the BAL quasars can be interpreted as quasars seen at intermediate inclination angles, with the line of sight grazing the edge of the torus. The opening angle of the torus is wider for major mergers and thus correlates with the central luminosity. In this picture the spin of the merged black hole is possibly dominated by the orbital angular momentum of the binary. Thus the spin of the merged black hole points into a new direction, and consequently the jet experiences a spin-flip according to the spin-paradigm. This re-orientation could be an explanation for the X-shaped radio galaxies, and the advancing of a new jet through the ambient medium for Compact Symmetric Objects.

研究动机与目标

• 解释活动星系核中尘埃环面的起源，其源于双黑洞并合后被抛射恒星的星风。
• 证明这些星风可形成几何厚度大、不均匀的环面，覆盖因子≈1。
• 将环面结构与观测到的活动星系核性质（如十年量级的柱密度变化）联系起来。
• 将环面几何结构与光学厚度联系到统一模型，特别是I型与II型活动星系核。
• 探讨该模型对X型射电星系及紧凑对称源中喷流重定向（自旋翻转）的启示。

提出的方法

• 在双黑洞系统的引力势场中建模恒星动力学，利用双星的引力扭矩将恒星抛射至环面结构。
• 模拟中心吸积盘辐射压力对星风的影响，将其塑造成拉长、光学厚的尾流。
• 通过积分星风分布与视线几何，计算所得环面的覆盖因子与光学深度。
• 利用双星的光度与质量比估算辐射压力强度与星风弯曲程度，进而关联至环面厚度与张角。
• 将模型预测的柱密度与变异性 timescale 与实际观测的活动星系核数据进行比较。
• 引入演化效应（如吸积率下降与光度变化）以建模时间依赖的遮蔽行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 由并合后星团中恒星产生的星风能否形成几何厚度大、光学厚的环面，从而解释活动星系核的统一模型？
• RQ2 受辐射压力塑造的星风动力学是否产生覆盖因子≈1的不均匀结构？
• RQ3 该模型能否重现观测到的活动星系核中约十年量级的柱密度变化？
• RQ4 环面张角与光学厚度如何与中心光度及双星质量比相关？
• RQ5 该模型对X型射电星系及紧凑对称源中的喷流重定向（自旋翻转）有何启示？

主要发现

• 星风环面的覆盖因子约为1，使环面在所有视线方向均呈光学厚状态。
• 由拉长、受辐射压力弯曲的星风尾流形成的不均匀结构，自然解释了约十年量级的柱密度变化观测。
• 环面半张角随中心光度增加而增大，且与并合双黑洞的质量比相关。
• 该模型可将宽吸收线类星体解释为以中等倾角视线观测的活动星系核，视线恰好擦过环面边缘。
• 并合后黑洞的自旋很可能主要由双星轨道角动量主导，导致自旋翻转，可解释X型射电星系及紧凑对称源中的喷流偏移。
• 环面因双星引力势中恒星动力学而自然形成几何厚度，无需人为假设压力支持或团块运动。