星系与超大质量黑洞/双黑洞共同演化数值模拟研究

来源 :中国科学院大学 中国科学院国家天文台 中国科学院 | 被引量 : 0次 | 上传用户:wulb
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冷暗物质宇宙学星系等级形成理论预言了超大质量黑洞的形成。研究表明,在一些非球对称贫气体星系核或富气体的活动星系核中,双黑洞有可能演化到强引力波辐射阶段,并最终在引力波辐射爆发下并合成为一个有一定反冲速度的超大质量黑洞。这一过程使得这类天体成为了非常独特的引力波辐射源。对这些天体的电磁波与引力波观测可以帮助我们了解双黑洞系统的演化、星系的形成与演化以及验证引力波和相对论在极端条件下的适用性。由于目前的引力波探测器空间分辨本领很差,无法用来精确地定位引力波源,我们需要寻找能够标定引力波源位置的电磁波段辐射源/引力波电磁对应体。本文致力于通过数值模拟的方法研究贫气体环境下双黑洞在并合前后与寄主星系恒星的共同演化及其对潮汐瓦解事件的影响。  通过直接N体数值模拟,我们发现,由于恒星的三轴性分布以及两个黑洞间剧烈的相互扰动,合并星系中的潮汐瓦解事件率在双黑洞系统形成过程中会被放大很多。我们按照两个超大质量黑洞的动力学演化可以将整个过程划分为三个阶段。结果表明,第一阶段和第二阶段的潮汐瓦解分别由二体弛豫过程和来自于另一黑洞的扰动作用主导。在第三阶段的前期,潮汐瓦解会受到次黑洞扰动和恒星三轴性分布的共同影响。而在一段较长时间的演化后,二体弛豫过程将最终再次主导潮汐瓦解。经过小心的外推,我们最终发现,对于一个典型的合并星系,阶段一的潮汐瓦解吸积率为~5×10-6 M☉yr-1。在阶段二则上升至~2×10-4 M☉yr-1。此外,通过对不同的密度轮廓斜率γ和初始黑洞质量MBH进行模拟,我们发现更大的γ或MBH都会导致更高的潮汐瓦解率以及瓦解率峰值的更早出现。  借助散射实验,我们曾于2009年研究了超大质量双黑洞在做开普勒轨道运动时潮汐瓦解邻近恒星所产生耀发的光变曲线。结合稳定性分析与数值模拟,我们发现在双黑洞系统中发生的潮汐瓦解事件,其瓦解恒星残骸气体的吸积过程会在一个双黑洞轨道周期内被打断。这一特征与单黑洞系统下完全不同。此外,我们发现这一中断的光变曲线在某些条件下还有可能断断续续地恢复。最近,我们对一例在宁静星系SDSS J120136.02+300305.5中发现的潮汐瓦解事件进行了拟合分析,结果验证了我们的预言。通过将双黑洞潮汐瓦解模型与SDSS J1201+30的观测结合,我们还很好的限制了双黑洞系统的参数。  在这一工作中,我们还利用海量粒子数目的N体数值模拟研究了并合造成的反冲黑洞在星系中与周围恒星的动力学共同演化以及潮汐瓦解恒星产生耀发的频率。我们的研究发现以星系核区为中心振荡的反冲黑洞在动力学演化上并不会受到潮汐瓦解恒星带来的影响。我们的结果还表明振荡中的反冲黑洞在经过中心核区时的恒星潮汐瓦解率大约为10-6 M☉yr-1,而在远离中心区时约为10-7-10-8 M☉yr-1。此外,我们的研究还发现反冲黑洞除了带有一个超致密的束缚恒星系统外,还影响着更大范围内的非束缚恒星,并使这些恒星围绕反冲黑洞形成了某种轴对称的分布。
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