[论文解读] Hill sphere contraction at light-speed: Prompt electromagnetic emission from the merger of stellar mass black holes in an AGN accretion disk

Barry McKernan, K. E. Saavik Ford+8 more|arXiv (Cornell University)|Jul 8, 2019

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 3被引用 6

一句话总结

本文提出，活动星系核（AGN）吸积盘中的恒星级黑洞并合会因希尔球以光速超相对论性收缩，导致气体自碰撞，从而产生瞬时电磁耀斑。若希尔球半径超过盘面标高，将在光行时跨越时标内产生紫外耀斑，为引力波信号提供可探测的电磁对应体。

ABSTRACT

Accretion disks around supermassive black holes are promising sites for stellar mass black hole (BH) mergers due to mass segregation and merger acceleration by disk gas torques. At BH merger, a few percent of the mass is lost, generating gravitational waves detectable with Advanced LIGO and Advanced Virgo. The mass loss causes the merging system's sphere of influence, known as the Hill sphere (radius $R_H$), to contract at light speed, and gas within the Hill sphere will self-collide. Observational signatures will depend on how $R_H$ compares to the accretion disk height, $H$. If $R_{H}\geq H$, a UV flare emerges post-merger on timescale $R_{H}/c$. A thermalized disk hot spot alters the AGN optical/UV photometry and asymmetric broad emission line profiles can develop. If $R_{H}<H$, detectability depends strongly on the disk optical depth. Large optical sky surveys can be used now, during O3, to search for BH mergers in AGN disks. LIGO/Virgo triggers should include rough mass estimates to optimize follow-up.

研究动机与目标

• 研究发生在活动星系核吸积盘内的恒星级黑洞并合事件的电磁对应体。
• 理解并合过程中因质量损失导致的希尔球快速收缩如何驱动可观测的电磁辐射。
• 确定此类辐射变得可探测的条件，特别是与盘面几何结构和光学深度的关系。
• 提出利用当前大规模天空巡天和LIGO/Virgo触发信号探测此类耀斑的观测策略。

提出的方法

• 建模并合后由于质量损失导致的希尔球半径 $ R_H $ 以光速 $ c $ 收缩。
• 将希尔球半径 $ R_H $ 与吸积盘标高 $ H $ 进行比较，以分类辐射区：$ R_H \geq H $ 与 $ R_H < H $。
• 计算耀斑出现的时标为 $ R_H / c $，即希尔球的光行时跨越时间。
• 评估由此产生的热斑在盘中的可探测性，考虑气体自碰撞的热化过程及非对称宽发射线轮廓的形成。
• 将盘面光学深度作为决定可探测性的关键因素，尤其在光学厚条件下 $ R_H < H $ 的情形。
• 建议在LIGO/Virgo O3观测运行期间，利用大规模光学天空巡天搜索此类耀斑，并结合引力波触发信号提供的质量估算值优化后续观测。

实验结果

研究问题

• RQ1 当并合的恒星级黑洞系统的希尔球以光速收缩时，会产生何种电磁特征？
• RQ2 希尔球相对于吸积盘高度 $ H $ 的相对大小如何决定辐射的性质与可探测性？
• RQ3 在AGN盘中黑洞并合后，预期紫外耀斑的出现时标是多少？
• RQ4 在希尔球半径小于盘高时，何种条件下辐射可被观测到？
• RQ5 如何利用当前及未来的天空巡天与引力波触发信号探测这些电磁对应体？

主要发现

• 当 $ R_H \geq H $ 时，紫外耀斑在 $ R_H / c $ 时标内出现，对应于希尔球的光行时跨越时间。
• 由自碰撞气体热化形成的热斑会改变AGN的光学/紫外测光特性，提供可测量的信号。
• 由于盘气局部瞬时加热，可能形成非对称的宽发射线轮廓。
• 当 $ R_H < H $ 时，可探测性高度依赖于盘面的光学深度，光学厚盘可能抑制可观测辐射。
• 大规模光学天空巡天是O3观测运行期间探测此类耀斑的可行工具。
• LIGO/Virgo触发信号应包含粗略的质量估算，以实现对候选事件的高效后续追踪。