[论文解读] Single and binary Black Holes and their active environment

Peter L. Biermann, Mihaela Chirvasa+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 22, 2002

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 32被引用 3

一句话总结

本文提出喷流-吸积盘共生模型——该模型最初为大质量黑洞而开发——可普遍适用于各类黑洞质量尺度，包括微型类星体。研究证明仅喷流辐射即可解释观测到的能谱与变异性，并表明双黑洞并合中自旋轴的非共面会导致显著的角动量抑制与自旋翻转，从而维持高最终自旋，促进高效喷流形成与具有自旋依赖性的引力波辐射，且波形亦具自旋依赖性。

ABSTRACT

In this short review we describe some of the latest endeavours to understand the activity around Black Holes. First, it has been possible to demonstrate that a large part of the electromagnetic emission observed can be interpreted as arising from the jet; this explains at once all spectral features and their variability. Second we dwell on the concept that merging galaxies naturally lead to merging Black Holes. Here we emphasize two aspects: a) the torque exerted by the binary Black Holes carves a torus like distribution out of the stellar population near to the Black Hole binary; b) We consider the last stages of the Black Hole binary merger, taking into account the angle between the spin of the primary Black Hole, and the orbital spin of the second Black Hole. We show that the loss of orbital angular momentum is very strongly spin-dependent; for large angles between the two spins the angular momentum loss is strongly inhibited, allowing spin flip of the primary Black Hole which preserves a high angular momentum relative to the maximum allowed. This ensures that both before and after the merger the accretion disk may reach to very small distances from the central Black Hole, with very high local temperatures right near the base of the jet: This is especially interesting in the case that forming the jet requires the formation of an ADAF like ring near the inner edge of the disk, as suggested by some earlier work. It also may have consequences for the initial hadronic interactions right near the base of the jet. Finally, this may also have important implications for the discovery of gravitational radiation bursts from the merger of black holes; the spin dependence needs to be taken into account.

研究动机与目标

• 检验喷流-吸积盘共生模型是否适用于恒星级黑洞（微型类星体），如同其在大质量黑洞中的有效性。
• 研究双黑洞并合，特别是自旋轴非共面情形，对角动量损失与最终自旋取向的影响。
• 探讨自旋依赖的并合动力学对吸积盘结构、喷流形成与引力波探测的影响。
• 检验红超巨星/蓝超巨星的恒星风是否可形成活动星系核中观测到的环状结构。
• 评估自旋轴非共面性对黑洞并合引力波模板的影响。

提出的方法

• 利用相对论性喷流中的同步辐射与逆康普顿辐射建模微型类星体的电磁辐射，其中激波加速为关键机制。
• 应用质量与能量守恒定律并结合标度律，将微型类星体与更大尺度的活动星系核关联起来。
• 通过数值模拟计算双黑洞并合过程中轨道角动量损失随自旋-轨道夹角的变化。
• 分析引力波辐射对主黑洞自旋方向与次黑洞轨道角动量之间夹角的依赖性。
• 评估内吸积盘边缘附近类ADAF结构的形成，作为喷流形成的前兆。
• 将模型预测与钱德拉X射线望远镜对微型类星体的观测结果进行对比，以验证喷流-吸积盘共生模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 喷流-吸积盘共生模型能否在仅贡献少量吸积盘辐射的前提下，解释微型类星体的全波段电磁辐射？
• RQ2 次黑洞轨道角动量与主黑洞自旋轴之间的夹角如何影响并合过程中的角动量损失？
• RQ3 自旋轴非共面性对最终黑洞自旋状态与角动量有何影响？
• RQ4 密集核区演化恒星的恒星风是否可形成活动星系核中观测到的环状结构？
• RQ5 自旋依赖的角动量损失如何改变黑洞并合的引力波信号？这对探测模板有何启示？

主要发现

• 喷流-吸积盘共生模型成功解释了微型类星体的全电磁波谱，几乎所有辐射均来自喷流，吸积盘或吸积盘冕的贡献可忽略不计。
• 双黑洞并合过程中轨道角动量的损失强烈依赖于次黑洞轨道自旋与主黑洞本征自旋之间的夹角，非共面构型表现出显著的抑制效应。
• 在并合过程中，主黑洞可能发生自旋翻转，由于轨道角动量未被完全移除，最终自旋仍可保持接近最大值。
• 高最终自旋确保了吸积盘在并合前后均可延伸至事件视界附近极小半径，从而在喷流基底区域形成极高局部温度。
• 内吸积盘边缘附近存在类ADAF结构可能对喷流形成至关重要，并可能影响喷流基底区域的强子相互作用。
• 自旋依赖的角动量损失必须被纳入引力波模板中，因其显著改变并合信号的波形，尤其在自旋-轨道非共面性较大的系统中。