[论文解读] Extreme mass ratio inspirals triggered by massive black hole binaries: from relativistic dynamics to cosmological rates

Lodato, G.|arXiv (Cornell University)|Oct 1, 2022

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 69被引用 23

一句话总结

本文通过相对论三体模拟，研究了星系并合后形成的大质量黑洞双星（MBHBs）触发极端质量比旋进（EMRIs）的机制，重点分析了长期演化与混沌动力学在EMRI形成中的作用。研究发现，MBHBs可引发EMRI形成的尖锐爆发，其速率比标准两体弛豫机制高出10–100倍，预测LISA每年可探测到约O(10)个EMRI。

ABSTRACT

Extreme mass ratio inspirals (EMRIs) are compact binary systems characterized by a mass-ratio $q=m/M$ in the range $~10^{-9}-10^{-4}$ and represent primary gravitational wave (GW) sources for the forthcoming Laser Interferometer Space Antenna (LISA). While their standard formation channel involves relaxation processes deflecting compact objects on very low angular momentum orbits around the central massive black hole, a number of alternative formation channels has been proposed, including binary tidal break-up, migration in accretion disks and secular and chaotic dynamics around a massive black hole binary (MBHB). In this work, we take an extensive closer look at this latter scenario, investigating how EMRIs can be triggered by a MBHBs, formed in the aftermath of galaxy mergers. By employing a suite of relativistic three-body simulations, we evaluate the efficiency of EMRI formation for different parameters of the MBHB, assessing the importance of both secular and chaotic dynamics. By modelling the distribution of compact objects in galaxy nuclei, we estimate the resulting EMRI formation rate, finding that EMRI are produced in a sharp burst, with peak rates that are 10-100 times higher than the standard two-body relaxation channel, lasting for 10$^6$--10$^8$ years. By coupling our results with an estimate of the cosmic MBHB merger rate, we finally forecast that LISA could observe ${\cal O}(10)$ EMRIs per year formed by this channel.

研究动机与目标

• 研究星系核中由大质量黑洞双星（MBHBs）触发的EMRI形成机制。
• 评估长期演化（如Lidov-Kozai机制）与混沌动力学在EMRI生成中的相对贡献。
• 估算MBHB触发通道的宇宙学EMRI形成速率，并预测LISA的探测率。
• 评估结果对恒星密度分布与扰动不确定性因素的鲁棒性。
• 探讨MBHB触发的EMRIs是否具有独特性质，从而在无电磁对应体的情况下实现识别。

提出的方法

• 在相对论引力场中，对一颗恒星级黑洞（CO）与一个大质量黑洞双星（MBHB）进行相对论三体模拟。
• 采用简化的解析恒星势（SIS型）模拟中心恒星核球，包含牛顿进动项。
• 改变MBHB参数（质量比𝑞、总质量、间距）以评估其对EMRI形成效率的影响。
• 在星系核中建模致密天体分布，并利用半解析宇宙学模型（L-Galaxies）对EMRI速率进行缩放。
• 应用简化的kludge波形模型（Barack & Cutler 2004）估算信噪比及LISA的可探测性。
• 通过移除恒星势进行敏感性测试，评估其对LK振荡与EMRI速率的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 大质量黑洞双星（MBHBs）通过长期演化与混沌动力学触发EMRI形成的效率如何？
• RQ2 与标准两体弛豫机制相比，MBHB触发通道的宇宙学EMRI形成速率如何？
• RQ3 MBHB参数（质量比、总质量、间距）如何影响EMRI生成速率？
• RQ4 MBHB触发的EMRIs能否与标准弛豫机制形成的EMRIs区分，从而实现在无电磁对应体情况下的识别？
• RQ5 该通道每年预计可被LISA探测到多少个EMRI？

主要发现

• 通过MBHBs触发的EMRI形成发生在持续10⁶–10⁸年的尖锐爆发中，其峰值速率比标准两体弛豫通道高出10–100倍。
• MBHB触发的EMRI速率在大多数系统中主要由混沌相互作用主导，尤其在高质比情况下；而长期Lidov-Kozai振荡仅在低质比双星中贡献显著。
• 假设采用L-Galaxies模型的标准MBHB并合率，MBHB通道的宇宙学EMRI形成速率估计为每年O(10)个可被LISA探测的事件。
• 结果对恒星势的不确定性具有鲁棒性：即使在更陡的密度剖面下，LK振荡仍对大多数系统贡献较小，且EMRI速率受其影响甚微。
• 忽略近距离恒星相遇引起的随机扰动可能导致速率被适度低估（最多约2倍），但整体贡献仍显著。
• 由MBHB触发的EMRIs可能具有独特的波形与轨道特性，为在无电磁对应体情况下识别MBHB群体提供了潜在路径。