[论文解读] On the Formation of an Eccentric Nuclear Disk following the Gravitational Recoil Kick of a Supermassive Black Hole

Tatsuya Akiba, Ann-Marie Madigan|arXiv (Cornell University)|Oct 19, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 39被引用 7

一句话总结

本文提出，超大质量黑洞并合产生的引力波反冲踢动可直接通过在反冲方向垂直的平面内诱导近心点对齐、偏心率较高的恒星轨道，形成偏心核盘（ENDs）。通过解析模型与N体模拟，研究发现反冲后平均偏心率相位出现瞬态螺旋结构，且偏心率分布呈现独特的“十字标记”特征，从而在星系并合、黑洞反冲与增强的潮汐瓦解事件率之间建立了动力学联系。

ABSTRACT

The anisotropic emission of gravitational waves during the merger of two supermassive black holes can result in a recoil kick of the merged remnant. We show here that eccentric nuclear disks - stellar disks of eccentric, apse-aligned orbits - can directly form as a result. An initially circular disk of stars will align orthogonal to the black hole kick direction with a distinctive 'tick-mark' eccentricity distribution and a spiral pattern in mean anomaly.

研究动机与目标

• 解释在后恒星爆发与后并合星系中观测到的潮汐瓦解事件（TDE）率升高的起源。
• 探究超大质量黑洞并合产生的引力波反冲踢动是否可直接形成偏心核盘（ENDs）。
• 确定黑洞反冲踢动后恒星盘的轨道结构与稳定性。
• 通过非各向同性的引力波辐射，将星系并合事件与长寿命、近心点对齐的恒星盘形成联系起来。

提出的方法

• 采用偏心率矢量形式构建简化模型，解析预测平面内反冲踢动后的近心点对齐现象。
• 对圆形轨道应用反冲后速度变换，推导出反冲后偏心率矢量作为初始偏近点角的函数。
• 通过对均匀分布的初始偏近点角进行系综平均，计算平均偏心率矢量，表明其与反冲方向正交对齐。
• 利用REBOUND进行N体模拟，模拟恒星盘对突然黑洞反冲的动态响应。
• 通过标准轨道力学计算平均偏近点角与真实偏近点角，揭示半长轴与平均偏近点角关系中的螺旋结构。
• 将解析预测与模拟结果进行对比，验证‘十字标记’型偏心率分布与螺旋结构的形成。

实验结果

研究问题

• RQ1 超大质量黑洞并合产生的引力波反冲踢动能否直接将初始为圆形的恒星盘转化为偏心核盘（END）？
• RQ2 黑洞反冲踢动后，轨道结构（特别是偏心率与平均偏近点角）如何演化？
• RQ3 反冲后平均单位偏心率矢量如何随时间演化，这对近心点对齐意味着什么？
• RQ4 反冲方向与大小在决定最终END的持久性与形态方面起什么作用？
• RQ5 该机制能否解释后并合星系中观测到的TDE率升高现象？

主要发现

• 反冲后的偏心率分布形成独特的‘十字标记’型轮廓，中间半长轴处偏心率更高，直接源于反冲踢动。
• 平均单位偏心率矢量与反冲方向正交对齐，其大小为反冲速度与圆形轨道速度之比的1.5倍，证实了近心点对齐。
• 在平均偏近点角与半长轴的关系中，出现瞬态螺旋结构，其在数十个轨道周期内逐渐展开。
• 该螺旋结构持续时间小于一个进动周期，表明其为瞬态但持久的动力学特征。
• 通过反冲踢动形成ENDs在平面内且幅度较大的反冲下最为有效，弱反冲无法引发显著的近心点对齐。
• 初步结果显示，由反冲踢动形成的ENDs可在多个进动 timescale 内维持较高的潮汐瓦解事件率，可能解释后并合星系中持续偏高的TDE率。