[论文解读] Stellar/BH Population in AGN Disks: Direct Binary Formation from Capture Objects in Nuclei Clusters

Yihan Wang, Zhaohuan Zhu+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 17, 2023

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 4

一句话总结

本文提出，活动星系核（AGN）盘中的恒星和黑洞（BH）种群可直接通过从核球星团中捕获形成双星系统，而无需依赖迁移陷阱。利用解析与数值模型，本文识别出控制捕获动力学的新守恒积分，表明被捕获天体的径向分布遵循 dN/dr ∝ r^{-1/4}，这是由角密度和偏心率分布决定的——这使得在致密盘环境中能够立即形成双星系统。

ABSTRACT

The Active Galatic Nuclei(AGN) disk has been proposed as a potential channel for the merger of binary black holes. The population of massive stars and black holes in AGN disks captured from the nuclei cluster plays a crucial role in determining the efficiency of binary formation and final merger rate within the AGN disks. In this paper, we investigate the capture process using analytical and numerical approaches. We discover a new constant integral of motion for one object's capture process. Applying this result to the whole population of the nuclei cluster captured by the AGN disk, we find that the population of captured objects depends on the angular density and eccentricity distribution of the nuclei clusters and is effectively independent of the radial density profile of the nuclei cluster and disk models. An isotropic nuclei cluster with thermal eccentricity distribution predicts a captured profile $d N/d r \propto r^{-1/4}$. The captured objects are found to be dynamically crowded within the disk. Direct binary formation right after the capture would be promising, especially for stars. The conventional migration traps that help pile up single objects in AGN disks for black hole mergers might not be required.

研究动机与目标

• 研究恒星和黑洞从核球星团（NSCs）捕获进入AGN吸积盘的过程。
• 确定被捕获天体的径向分布及其对NSC特性与盘动力学的依赖关系。
• 评估在AGN盘中双星形成是否需要迁移陷阱。
• 识别控制轨道演化与最终分布的捕获过程中的守恒量。
• 评估在捕获后立即形成双星系统的可能性，从而避免长期迁移阶段。

提出的方法

• 推导由于气体阻力和动力摩擦导致的半长轴、偏心率和倾角演化 timescale 表达式。
• 识别新的运动积分：对恒星为 L cos²(I/2) cot^{γ−1}(I/2)，对黑洞为 L cos²(I/2) cot^{ζ−1}(I/2)，且与盘或天体质量无关。
• 使用NSC的角密度和偏心率分布建模被捕获天体的径向分布，且不依赖于径向密度分布。
• 应用表面密度满足 Σ ∝ r^{-3/2} 的自引力盘模型，推导被捕获恒星和黑洞的质量填充函数。
• 通过模拟不同初始倾角、偏心率和近日点角的捕获动力学，评估演化 timescale。
• 使用数值积分与解析近似方法验证守恒定律，并预测最终轨道分布。

实验结果

研究问题

• RQ1 恒星/BH进入AGN盘的捕获过程中，半长轴、偏心率和倾角演化的主导 timescale 是什么？
• RQ2 能否识别出控制被捕获天体最终轨道分布的守恒运动积分？
• RQ3 被捕获恒星和黑洞的径向分布如何依赖于核球星团和盘的特性？
• RQ4 在AGN盘中，双星系统是否可能在捕获后立即形成，从而无需迁移陷阱？
• RQ5 初始轨道参数（倾角、偏心率、近日点角）如何影响捕获动力学与最终分布？

主要发现

• 捕获过程由两个新的守恒运动积分控制：对恒星为 L cos²(I/2) cot^{γ−1}(I/2)，对黑洞为 L cos²(I/2) cot^{ζ−1}(I/2)，且与盘模型或天体质量无关。
• 当核球星团为各向同性且具有热偏心率分布时，被捕获天体的径向数量分布遵循 dN/dr ∝ r^{-1/4}。
• 被捕获天体的径向分布仅取决于核球星团的角密度和偏心率分布，而不依赖于其径向密度分布或盘模型。
• 对于满足 Σ ∝ r^{-3/2} 的自引力AGN盘，被捕获恒星的总质量由质量填充函数 𝒪_M*(t) ∝ t^{1−γ_NS/3} 描述，且天体分布在 r_g 和 r_m (Σ_m/Σ_*)^{1/3} t^{1/3} 之间。
• 被捕获的恒星和黑洞在盘中迅速聚集，实现捕获后立即形成双星系统，从而减少对迁移陷阱的依赖。
• 高倾角和高偏心率轨道表现出更快的半长轴收缩和倾角阻尼，且偏心率演化对近日点角敏感，逆行轨道则表现出偏心率激发后随即阻尼。