[论文解读] Observable Signatures of EMRI Black Hole Binaries Embedded in Thin Accretion Disks

Bence Kocsis, Nicolás Yunes+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 12, 2011

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 189被引用 243

一句话总结

本文研究了嵌入在薄、辐射压主导的吸积盘中的极端质量比旋近（EMRI）——即恒星级致密天体向超大质量黑洞旋近——所发出的电磁波（EM）与引力波（GW）信号。研究发现，盘体引起的迁移导致引力波相位每年发生10–1000弧度的偏移，该效应可被LISA探测到；而在后期旋近阶段，间隙的重新填充会引发突然的电磁波增亮，从而实现对吸积盘物理特性的联合电磁-引力波约束。

ABSTRACT

We examine the electromagnetic (EM) and gravitational wave (GW) signatures of stellar-mass compact objects (COs) spiraling into a supermassive black hole (extreme mass-ratio inspirals or EMRIs), embedded in a thin, radiation-pressure dominated, accretion disk. At large separations, the tidal effect of the secondary CO clears a gap. We show that the gap refills during the late GW-driven phase of the inspiral, leading to a sudden EM brightening of the source. The accretion disk leaves an imprint on the GW through its angular momentum exchange with the binary, the mass increase of the binary members due to accretion, and its gravity. We compute the disk-modified GWs both in an analytical Newtonian approximation and in a numerical effective-one-body approach. We find that disk-induced migration provides the dominant perturbation to the inspiral, with weaker effects from the mass accretion onto the CO and hydrodynamic drag. Depending on whether a gap is present, the perturbation of the GW phase is between 10 and 1000 radians per year, detectable with the future Laser Interferometer Space Antenna (LISA) at high significance. The Fourier transform of the disk-modified GW in the stationary phase approximation is sensitive to disk parameters with a frequency trend different from post-Newtonian vacuum corrections. Our results suggest that observations of EMRIs may place new sensitive constraints on the physics of accretion disks.

研究动机与目标

• 研究薄、辐射压主导的吸积盘如何调制EMRI的引力波与电磁波信号。
• 确定LISA是否能够探测到由吸积盘引起的EMRI波形扰动。
• 评估通过引力波傅里叶变换与相位偏移探测吸积盘参数的可能性。
• 评估吸积盘引力、质量吸积与流体阻力对EMRI动力学的影响。
• 探索联合电磁波与引力波观测在约束吸积盘结构与物理特性方面的潜力。

提出的方法

• 采用解析牛顿力学与数值有效一體模型（EOB）方法，模拟受吸积盘调制的EMRI引力波信号。
• 计算由迁移、质量吸积与吸积盘引力引起的盘体导致的引力波相位修正。
• 通过二次致密天体的潮汐力建模间隙形成，并模拟其在后期旋近阶段的重新填充过程。
• 应用相位稳定近似法，计算调制后引力波信号的傅里叶变换。
• 利用与LISA灵敏度相关的去同步化与重叠度量，量化信号可探测性。
• 将吸积盘势能与角动量交换效应整合进EOB哈密顿量与辐射反作用力中。

实验结果

研究问题

• RQ1 薄、辐射压主导的吸积盘如何改变EMRI引力波的相位？
• RQ2 由吸积盘引起的迁移效应在EMRI旋近过程中产生的相位偏移量级如何？是否可探测？
• RQ3 EMRI间隙的重新填充是否会产生可观测的电磁波增亮？
• RQ4 吸积盘引力、质量吸积与流体阻力在引力波相位调制中的相对影响如何比较？
• RQ5 调制后引力波的傅里叶变换能否将吸积盘参数与后牛顿真空修正区分开来？

主要发现

• 由吸积盘引起的迁移导致引力波相位每年偏移10–1000弧度，可被LISA以高显著性探测到。
• 在后期旋近阶段，间隙重新填充导致EMRI源出现突然的电磁波增亮。
• 调制后引力波的傅里叶变换表现出与后牛顿真空修正不同的频率趋势，从而可实现对吸积盘参数的推断。
• 迁移是EMRI旋近过程中最主要的扰动源，质量吸积与流体阻力的贡献较弱。
• 电磁波与引力波联合信号为吸积盘物理特性（包括间隙结构与质量供给率）提供了新的、灵敏的探测手段。
• 本研究证明，通过引力波相位调制，EMRI观测可约束吸积盘参数（如表面密度与黏性系数）。