[论文解读] SUPERMASSIVE KICKS FOR SPINNING BLACK HOLES

Ulrich Sperhake, Bollineni BR+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 8, 2007

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 1被引用 16

一句话总结

本文表明，自旋最优对齐的等质量双黑洞在合并时可产生超过 2,500 km/s 的反冲速度，显著高于此前预测的最高 1,300 km/s。通过数值相对论模拟，研究发现自旋对齐可产生超大反冲速度，对黑洞喷射、星系际黑洞种群以及星系结构具有深远影响。

ABSTRACT

Recent calculations of the recoil velocity in binary black hole mergers have found the kick velocity to be of the order of a few hundred km/s in the case of non-spinning binaries and about 500km/s in the case of spinning configurations, and have lead to predictions of a maximum kick of up to 1300km/s. We test these predictions and demonstrate that kick velocities of at least 2500km/s are possible for equal-mass binaries with appropriate alignments of the spins. Kicks of that magnitude are likely to have significant repercussions for models of black-hole formation, the population of intergalactic black holes and the structure of host galaxies. Subject headings: black hole physics, gravitational waves, Galaxy: nucleus, relativity

研究动机与目标

• 测试并扩展关于双黑洞合并中反冲速度的先前预测。
• 研究自旋对齐在超越先前估计极限的反冲速度增强中的作用。
• 评估极端反冲速度对黑洞喷射与星系形成所造成的天体物理学影响。
• 确定在等质量双黑洞中，2,500 km/s 或更高的超大反冲速度是否在物理上可行。
• 评估此类高速喷射对星系际黑洞种群与宿主星系结构的影响。

提出的方法

• 采用数值相对论模拟，对自旋取向各异的等质量双黑洞合并进行建模。
• 系统性地调整自旋矢量相对于轨道角动量的对齐方式，以识别最优构型。
• 利用辐射引力波形中的动量平衡计算最终反冲速度。
• 将结果与先前关于非旋转和旋转双黑洞中反冲速度的分析与数值估计进行验证。
• 分析反冲速度大小对自旋大小及其相对于轨道平面方向的依赖性。
• 将分析扩展至探索理想自旋对齐条件下可能达到的最大反冲速度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在等质量双黑洞合并中，当自旋实现最优对齐时，可达到的最大反冲速度是多少？
• RQ2 自旋构型如何影响双黑洞合并中反冲速度的大小与方向？
• RQ3 先前预测的最高 1,300 km/s 是否显著低估了极端反冲速度的真实潜力？
• RQ4 反冲速度超过 2,500 km/s 对黑洞喷射与星系演化具有何种天体物理学后果？
• RQ5 在真实的双黑洞系统中，2,500 km/s 或更高的超大反冲速度是否在物理上可实现？

主要发现

• 当自旋与轨道角动量最优对齐时，等质量双黑洞可实现至少 2,500 km/s 的反冲速度。
• 最大反冲速度超过先前估计的 1,300 km/s，表明理论预期需大幅修正。
• 此类极端反冲速度由自旋对齐构型引起的引力波发射中 constructive interference（相长干涉）产生。
• 此类高速喷射可能导致黑洞被从其宿主星系中喷出，从而影响星系际黑洞种群。
• 结果表明，超大反冲速度可能在塑造星系核的结构与动力学中发挥关键作用。
• 研究结果挑战了现有黑洞形成与演化模型，特别是关于大质量黑洞在星系中心保留机制的理解。