[论文解读] Gas Assisted Binary Black Hole Formation in AGN Discs

Henry Whitehead, Connar Rowan+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 20, 2023

Astrophysical Phenomena and Observations被引用 7

一句话总结

本论文在剪切盒中使用345个高分辨率二维等温黏性流体动力学模拟，研究气体辅助捕获和在AGN盘中形成双黑洞对，并为半解析模型推导了一种捕获准则。

ABSTRACT

We investigate close encounters by stellar mass black holes (BHs) in the gaseous discs of active galactic nuclei (AGN) as a potential formation channel of binary black holes (BBHs). We perform a series of 2D isothermal viscous hydrodynamical simulations within a shearing box prescription using the Eulerian grid code Athena++. We co-evolve the embedded BHs with the gas keeping track of the energetic dissipation and torquing of the BBH by gas gravitation and inertial forces. To probe the dependence of capture on the initial conditions, we discuss a suite of 345 simulations spanning local AGN disc density ($ρ_0$) and impact parameter ($b$) space. We identify a clear region in $b - ρ_0$ space where gas assisted BBH capture is efficient. We find that the presence of gas leads to strong energetic dissipation during close encounters between unbound BHs, forming stably bound eccentric BBHs. We find that the gas dissipation during close encounters increases for systems with increased disc density and deeper periapsis passages $r_p$, fitting a power law such that $ΔE \propto ρ_0^αr_p^β$ where $\{α,β\} = \{1.01\pm0.04,-0.43\pm0.03\}$. Alternatively, the gas dissipation is approximately $ΔE = 4.3 M_ ext{d} v_ ext{H} v_p$, where $M_ ext{d} $ is the mass of a single BH minidisc just prior to the encounter when the binary separation is $2r_ ext{H}$ (two binary Hill radii), $v_ ext{H}$ and $v_p$ are the relative BH velocities at $2r_ ext{H}$ and at the first closest approach, respectively. We derive a prescription for capture which can be used in semi-analytical models of AGN. We do not find the dissipative dynamics observed in these systems to be in agreement with the simple gas dynamical friction models often used in the literature.

研究动机与目标

• 研究气体是否在AGN盘中能够在近距离相遇时诱导束缚BBH的形成。
• 量化相遇过程中的气体耗散如何依赖局部盘密度和相遇几何（最近圆盘近点）而变化。
• 在初始参数空间（b, ρ0）中识别气体辅助捕获高效的区域。
• 推导可用于更广泛的AGN BBH形成模型的半解析捕获准则。
• 将气体驱动的耗散机制与更简单的气体动力摩擦模型进行比较，并评估建模含义。

提出的方法

• 在围绕中央超大质量黑穴的剪切盒中，使用Athena++进行二维等温黏性流体动力学模拟。
• 嵌入两只等质量BH（25Msun），形成迷你盘并追踪其由气体引发的演化。
• 探索覆盖环境盘密度ρ0与初始碰撞参数b的345个模拟网格。
• 使用自适应网格细化以实现大约每个Hill半径≥500个格点，以解析迷你盘和近距离相遇。
• 计算耗散诊断量（epsilon_SMBH 和 epsilon_gas）与力矩，以量化能量与角动量的交换。
• 推导捕获准则和一个能供半解析BBH形成模型使用的能量耗散标度关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 在BH相遇过程中气体耗散是否足以形成AGN盘中的束缚BBH？
• RQ2 气体诱导的耗散如何随盘密度和最近圆盘近点的变化而标度，在b-ρ0空间的何处捕获最有效？
• RQ3 是否能够推导出一个鲁棒、可转移的捕获准则，供半解析或人口综合模型使用？
• RQ4 在这些相遇中，气体动力学与简单双体气体摩擦期望之间有何差异？
• RQ5 形成的BBH的特性（偏心率、Hill能量）以及在气体扭矩作用下的后续演化有哪些？

主要发现

• 气体在近距离相遇时引起强烈的能量耗散，形成稳定束缚且具有偏心的BBH。
• 耗散标度为 ΔE ∝ ρ0^α r_p^β，{α,β} = {1.01 ± 0.04, −0.43 ± 0.03}。
• 另一种耗散处方为 ΔE = 4.3 M_d v_H v_p，其中 M_d 为相遇前的迷你盘质量，v_H、v_p 分别是在2r_H处和首次最近接近时的相对BH速度。
• 捕获仅在初始参数空间中的特定b-ρ0区域内高效。
• 第一次最近圆点时的气体耗散是硬化的主导因素，随后的经过产生较弱的耗散。
• 所观察到的耗散动力学并不完全符合文献中常用的简单气体动力摩擦模型。