[论文解读] Lecture notes on black hole binary astrophysics

Marco Celoria, Roberto Oliveri+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 30, 2018

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 101被引用 18

一句话总结

本文提供了对恒星级、中等质量和超大质量黑洞双星（BHB）形成与演化的全面教学概述。它详细阐述了主导BHB形成与并合率的关键天体物理机制——如共用包层演化、星团中的动力学硬化，以及环双星盘中的气体驱动螺旋并拢——并证明富含气体的环境可在不到1亿年内将大质量黑洞双星（MBHB）收缩至引力波辐射效率主导的阶段。

ABSTRACT

We describe some key astrophysical processes driving the formation and evolution of black hole binaries of different nature, from stellar-mass to supermassive systems. In the first part, we focus on the mainstream channels proposed for the formation of stellar mass binaries relevant to ground-based gravitational wave detectors, namely the {\it field} and the {\it dynamical} scenarios. For the field scenario, we highlight the relevant steps in the evolution of the binary, including mass transfer, supernovae explosions and kicks, common envelope and gravitational wave emission. For the dynamical scenario, we describe the main physical processes involved in the formation of star clusters and the segregation of black holes in their centres. We then identify the dynamical processes leading to binary formation, including three-body capture, exchanges and hardening. The second part of the notes is devoted to massive black hole formation and evolution, including the physics leading to mass accretion and binary formation. Throughout the notes, we provide several step-by-step pedagogical derivations, that should be particularly suited to undergraduates and PhD students, but also to gravitational wave physicists interested in approaching the subject of gravitational wave sources from an astrophysical perspective.

研究动机与目标

• 为理解跨越质量尺度的黑洞双星（BHB）形成天体物理路径提供教学基础。
• 解释恒星级BHB的主要形成渠道，包括场演化以及星团中的动力学过程。
• 分析并合后大质量黑洞双星（MBHB）中气体吸积与引力波辐射在收缩过程中的作用。
• 通过物理模型与逐步推导，量化BHB的并合率与 timescales。
• 在天体物理源建模与引力波探测前景之间建立桥梁，特别是针对LISA和地面探测器。

提出的方法

• 利用福克-普朗克近似推导星团中的两体弛豫 timescale，以模拟星团演化。
• 应用Jeans质量准则与云团碎片化模型，模拟初始星团的形成。
• 利用引力波辐射与气体扭矩的能量预算，通过三体相遇模型模拟双星硬化过程。
• 采用Bondi吸积模型与爱丁顿极限，估算环双星盘中的质量吸积率。
• 应用扭矩平衡方程，表明气体导致的角动量损失可驱动双星收缩：$ \frac{dL}{dt} = -\dot{m} \sqrt{G M r_{\text{gap}}} $。
• 推导气体吸积下双星间距的变化率：$ \frac{da}{a} = -\frac{dM}{M} $，表明当吸积质量等于双星总质量时，间距将实现e倍收缩。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些主导天体物理通道对形成与LIGO/Virgo探测相关的恒星级黑洞双星至关重要？
• RQ2 星团中的动力学过程（如质量分异与三体相遇）如何导致黑洞双星的形成？
• RQ3 环双星盘中的气体吸积在加速大质量黑洞双星螺旋并拢过程中起什么作用？
• RQ4 气体驱动扭矩能在多快时间内将大质量黑洞双星收缩至引力波主导阶段？
• RQ5 黑洞双星在宇宙时空中预期的并合率是多少？它们与星系并合历史有何关联？

主要发现

• 恒星级黑洞双星主要通过场演化（质量转移、共用包层、超新星反冲）以及致密星团中的动力学过程形成。
• 富含气体的环双星盘可通过角动量提取缩短大质量黑洞双星，当吸积质量约为μ（约化质量）时，分离距离可减少约3个e倍。
• 在爱丁顿极限吸积与10%辐射效率条件下，气体驱动螺旋并拢达到引力波主导阶段的 timescale 估计为~4×10⁷年。
• 星系并合后，MBHB预计在10亿年内通过动力学与气体驱动过程共同作用而并合。
• 考虑到约10¹¹个星系至少经历一次主要并合，预期的MBHB并合率约为10 yr⁻¹，与LISA在4–10年任务期内探测到数十至数百起事件的预期一致。
• 理论模型预测，由双星四极矩势驱动的内盘流体可将角动量输送回盘面，从而通过 $ \frac{da}{a} = -\frac{dM}{M} $ 实现持续硬化。