[论文解读] Dynamics and spin alignment in massive, gravito-turbulent circumbinary discs around supermassive black hole binaries

Martin A. Bourne, Davide Fiacconi+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 28, 2023

Astrophysical Phenomena and Observations被引用 4

一句话总结

本研究通过超拉格朗日型精细化与亚网格Shakura-Sunyaev盘模型，对超大质量双黑洞周围的3D大质量自引力湍流吸积盘（CBDs）进行流体动力学模拟，自洽追踪黑洞质量与自旋演化。与以往研究不同，本研究发现不存在对次星黑洞的优先吸积，导致质量比保持恒定，引力波背景信号更弱；同时即使在低质量比系统中，自旋也能迅速与系统整体角动量对齐，尽管在混沌吸积情景下，倾角的迷你盘可能阻碍对齐。

ABSTRACT

Parsec-scale separation supermassive black hole binaries in the centre of gas-rich galaxy merger remnants could be surrounded by massive circumbinary discs (CBDs). Black hole mass and spin evolution during the gas-rich binary inspiral are crucial in determining the direction and power of relativistic jets that radio observations with LOFAR and SKAO will probe, and for predicting gravitational wave (GW) emission that IPTA and LISA will measure. We present 3D hydrodynamic simulations capturing gas-rich, self-gravitating CBDs around a $2 imes 10^6$ M$_{\odot}$ supermassive black hole binary, that probe different mass ratios, eccentricities and inclinations. We employ a sub-grid Shakura-Sunyaev accretion disc to self-consistently model black hole mass and spin evolution together with super-Lagrangian refinement techniques to resolve gas flows, streams and mini-discs within the cavity, which play a fundamental role in torquing and feeding the binary. We find that higher mass ratio and eccentric binaries result in larger cavities, while retrograde binaries result in smaller cavities. All of the simulated binaries are expected to shrink with net gravitational torques being negative. Unlike previous simulations, we do not find preferential accretion onto the secondary black hole. This implies smaller chirp masses at coalescence and hence a weaker GW background. Critically this means that spin-alignment is faster than the binary inspiral timescale even for low mass ratios. When considering initially misaligned systems, the orientation of the mini-discs around each black hole can vary significantly. We discuss the implications of this behaviour for black hole spin alignment and highlight the need for broader parameter space studies of misaligned systems to understand the impact on black hole recoil velocities.

研究动机与目标

• 理解星系并合的富气阶段中，大质量自引力吸积盘（CBDs）内超大质量双黑洞的动力学与自旋演化。
• 研究双星质量比、偏心率与倾角如何影响CBDs中空腔结构、气流内流与吸积模式。
• 确定吸积是否如先前研究推测的那样优先供给次星黑洞，及其对啁啾质量与引力波辐射的影响。
• 评估黑洞自旋对齐时间尺度相对于双星衰减时间的长短，尤其在倾角不对齐系统中，及其对反冲速度与宿主星系位移的影响。
• 评估迷你盘与流体动力学在施加角动量扭矩、影响双星长期演化中的作用。

提出的方法

• 使用自适应网格精细化代码进行3D流体动力学模拟，采用超拉格朗日型精细化以解析吸积盘内气体流动、射流与迷你盘。
• 引入亚网格Shakura-Sunyaev吸积盘模型，通过黏性扭矩自洽演化黑洞质量与自旋。
• 采用等温方程态并辅以缓慢β冷却，以模拟气体热力学并维持盘面稳定。
• 系统性地改变双星参数：质量比（q = 1, 1/3, 1/10）、偏心率（e = 0, 0.5）与倾角（i = 0°, 45°, 180°），共12组模拟设置。
• 追踪不同半径处（R < a 与 R > a）气体对双星的引力扭矩，以确定净衰减速率。
• 分析迷你盘形成、尺寸及其相对于双星衰减时间的对齐时间尺度，以评估自旋演化。

实验结果

研究问题

• RQ1 在大质量自引力湍流吸积盘中，吸积是否如某些先前模型预测的那样优先供给次星黑洞？
• RQ2 双星质量比、偏心率与倾角如何影响吸积盘空腔的大小与结构以及气流内流？
• RQ3 双星所受的净引力扭矩为何？其如何影响衰减速率？
• RQ4 黑洞自旋多快与系统整体角动量对齐？在初始倾角不对齐的配置中，这种对齐是否必然发生？
• RQ5 倾角不对齐的迷你盘对黑洞自旋演化及并合后潜在反冲速度有何影响？

主要发现

• 高质质量比与高偏心率双星产生更大的吸积盘空腔，而逆行双星因更强的气体扭矩导致空腔更小。
• 所有配置下双星所受净引力扭矩均为负值，驱动衰减，低质量比与逆行双星衰减更快。
• 吸积并不优先供给次星黑洞；质量比保持近似恒定，意味着并合时啁啾质量更低，引力波背景更弱。
• 自旋对齐时间尺度短于或与双星衰减时间尺度相当，即使在低质量比系统中，也因迷你盘高效施加扭矩而实现。
• 在初始倾角不对齐系统中，迷你盘无法快速对齐，因此黑洞自旋可能在并合时仍保持不对齐，增加显著反冲速度与星系位移的风险。
• 无优先次星吸积的原因归因于等温方程态、缓慢β冷却、低黏性，以及与传统点质量吸积模型的差异。