超大质量双黑洞系统中的吸积盘

1. 超大质量双黑洞系统中的吸积盘 刘富坤 北京大学天文系

2. 目录 • 为什么研究大质量双黑洞及其吸积盘 • 大质量双黑洞的形成 • 大质量双黑洞与吸积盘的相互作用 • 大质量双黑洞的并合及引力波探测 • 结论

3. NGC4676：老鼠星系 观测：几乎坐所有星系 中心都存在超大质量黑洞 星系并合不可避免地形成 超大质量双黑洞 在现在流行的ΛCDM宇宙学中，星系形成是一等级过程 理论和观测：小结构首先形成， 并合形成大的目前看到的星系 吸积与并合形成超大质量黑洞 及其自转 第一代大（中等）质量黑洞 1、为什么要研究超大质量双黑洞 1.1、观测和ΛCDM宇宙学星系形成和演化理论

4. Mice 星系的形成和演化

5. 1.2、活动星系核供能问题星系相互作用与并合产生的非对称作用使星系盘中气体角动量再分布，低角动量的气体流向中心激发活动星系核的活动1.2、活动星系核供能问题星系相互作用与并合产生的非对称作用使星系盘中气体角动量再分布，低角动量的气体流向中心激发活动星系核的活动 Galaxy + galaxy Normal galaxy merging evolution 星系与活动星系的大统一模型（？） gas: starbursts galaxy Evolution Short-lived AGNs Martini 2004

6. 1.3、Gravitational Wave Astrophysics:LISA探测器的一个主要源 探测广义相对论预言的引力波， 检验广义相对论在极端条件下的适用性 NS + NS NS + BH WD + NS Gravitational radiation LIGRO, etc Big bang Gravitational radiation LISA SMBH + SMBH Gravitational radiation LISA

7. 1.4、解释活动星系核中特殊观测特性 ●解释VLBI尺度上射电喷流的螺旋形结构 （Begelman et al , 1980, Nature） ●解释喷流喷嘴方向的周期性进动： BL Lac 4C12.50

8. ●解释活动星系核中周期性光学爆发 BL Lac object OJ287: p=11.86 yr (Sillapaa et al. 1988, ApJ, Liu & Wu 200, A&A)

9. 2、超大质量超大质量双黑洞的形成与pc尺度困难2、超大质量超大质量双黑洞的形成与pc尺度困难

10. 动力学粘滞在这过程中起决定性作用 束缚态超大质量双黑洞的形成 Galaxy interaction Dynamic friction Bound SMBBHs

11. 低角动量的气体流向中心黑洞，形成吸积盘，引发活动星系核的活动。低角动量的气体流向中心黑洞，形成吸积盘，引发活动星系核的活动。

12. 在此时，双黑洞间的束缚能小于星系中背景恒星随机运动能，双黑洞处于非束缚态：在此时，双黑洞间的束缚能小于星系中背景恒星随机运动能，双黑洞处于非束缚态： • 当束缚能大于随机运动能时，双黑洞进入束缚态

13. Pre-merger candidates: 3C75A,B of double-pairs of radio jets

14. Ultra-luminous infrared galaxy • Unusual optical morphology: interacting galaxy • Two x-ray active nuclei: luminous, hard X-ray • emission, strong neutral iron lines from both nuclei • Nuclear separation: ~1.5”=1.4 Kpc • Mass ratio: q=m/M ~1/3 (major merger) • BH masses: • 2nd candidate: NGC3690/IC694 (Arp 299) [Ballo et al. 04] Two active nuclei in one galaxy NGC6240: a~1.4 kpc （Komossa, et al., 2003, ApJL）

15. 双黑洞变硬 • 背景恒星同时与双黑洞发生三体碰撞，获得能量。 • 当双黑洞单位质量的束缚能与背景恒星的随机运动能相当时，碰撞使恒星获得逃逸速度，而离开原来位置。于是在双黑洞周围相空间形成无恒星的损失锥 于是，无动力学粘滞和恒星碰撞，角动量无法损失

16. 在互相绕着质心旋转时，双黑洞产生引力波辐射，可以带走角动量在互相绕着质心旋转时，双黑洞产生引力波辐射，可以带走角动量 The gravitational wave radiation becomes important only when [Liu, Wu, Cao 03] The binary may stall at ~100rg < a < ~10,000rg for a time-scale longer than the Hubble time-scale

17. Numerical computations dynamic friction: (e.g. Yu 2002, MNRAS)

18. 现有的观测表明，近邻星系中并不存在 超大质量双黑洞！ 我们应该在紧邻星系中探测到 大量的超大质量双黑洞 so called pc-scale problem Hierarchical galaxy formation model is wrong or binary can lose its angular momentum due to other mechanism(s) Possible

19. 3、超大质量双黑洞与吸积盘的相互作用

20. 由于活动星系核吸积盘半径 双黑洞在变硬的时候就与吸积盘发生相互作用 对星系并合形成的超大质量双黑洞，与吸积盘的相互作用决定了其变硬后的演化命运 (Ivanov et al., 99, Liu, et al., 03, Liu 04)

21. 两个假设: • 吸积盘物质来源于星系盘，于是因角动量守恒而与星系盘共面。如果有喷流，喷流则与星系盘垂直 • 双黑洞轨道面与吸积盘面夹角由星系碰撞入射角决定，因而呈随机分布 我们不清楚双黑洞是如何开始与吸积盘发生相互作用

22. 如果双黑洞轨道内吸积盘质量Md>m●次黑洞与吸积盘发生正碰，产生激波、喷泉●双黑洞损失轨道角动量而相互靠近（Ivanov et al. 1998, ApJ） 次黑洞进入吸积盘 次黑洞靠近吸积盘 次黑洞穿过吸积盘 次黑洞离开吸积盘

23. 当轨道内吸积盘物质小于次黑洞物质时，双黑洞的作用使吸积盘扭曲、变形当轨道内吸积盘物质小于次黑洞物质时，双黑洞的作用使吸积盘扭曲、变形 • 如果>H/r，吸积盘的变形以扩散形式向内外区传播 • 最后吸积盘内区与双黑洞轨道面共面（Ivanov et al. 99, Liu 04）

24. 共面盘外边沿在变形向外转移角动量与粘滞向内转移角动量平衡处：共面盘外边沿在变形向外转移角动量与粘滞向内转移角动量平衡处： 变形传播速度决定于共振激发角动量横向转移（Papaloizou & Pringle 1983, MNRAS)

25. 转动的Kerr黑洞使其周围时空随其一起旋转： • Lens-Thirring frame-dragging 当Kerr黑洞与吸积盘不共面时，吸积盘因Lens-Thirring效应与转动的黑洞交换角动量，吸积盘内区于是在短时间内与黑洞赤道面共面 • Bardeen-Peterson 效应(Bardeen & Peterson 75) • 共面区域的半径称为Bardeen-Peterson半径

26. 吸积盘与轨道面的共面至Bardeen-Peterson半径 • 在BP半径处，向内、外转移角动量达到平衡 • 对典型活动星系核黑洞吸积，BP半径为

27. 根据牛顿第三定律，在Kerr黑洞改变吸积盘内区的同时，吸积盘也同时改变黑洞自转轴方向并最终使黑洞自转轴与吸积盘垂直。这一过程大约需要时间：根据牛顿第三定律，在Kerr黑洞改变吸积盘内区的同时，吸积盘也同时改变黑洞自转轴方向并最终使黑洞自转轴与吸积盘垂直。这一过程大约需要时间： • 因此，超大质量双黑洞与吸积盘间的相互作用使中心黑洞自转轴方向由初始时垂直于星系盘而改变为垂直于双黑洞轨道面 • 由于相对论喷流总是沿黑洞自转轴方向形成，黑洞自转轴的改变将直接导致喷流方向改变

28. Observational evidence for the disk-binary interaction X-shaped radio sources（Liu 2004, MNRAS） 3C403 3C326

29. 观测、理论对碰对 • 观测：X-形射电形态只在低亮度的FRII射电星系中存在(Dennett-Thorpe et al 02) • 理论：喷流方向的改变只发生于有标准吸积盘系统中，具有非标准盘的系统喷流方向不变。现有的观测表明，FRII射电星系中的吸积盘是标准的而FRI射电星系中的吸积盘则很可能是非标准的 • 观测：大约 7%的射电源属于X-形态源 [Leahy & Parma 92] • 理论：喷流等离子体遗迹可探测时间大约一千万年，7%的探测概率意味着低亮度的FRII射电星系寿命大约一亿年。这和测得的AGN寿命一致 • 观测：喷流遗迹与寄住星系盘垂直 • 理论：在吸积盘与超大质量双黑洞发生相互作用前，吸积盘因角动量守恒而与星系盘共面，因而产生的喷流与吸积盘和星系盘垂直 • 观测：活动的喷流随机取向 • 理论：新喷流方向垂直于双黑洞轨道面，而星系并合形成的超大质量双黑洞相对于星系盘取向随机

30. 156 radio sources Random distribution of jet orientations(Liu, Zhang, Wu, 2005, in preparation) HST 0.05” VLA 0.05”

31. With respect to major axis of host galaxy Random (KS---0.124)

32. With respect to dust lane in host galaxy Unrelaxed system Relaxed system Φ: angle between dust lane and major axis of host galaxy

33. 3.2 Coplanar binary-disk system: resonant interaction • The potential due to the secondary Fourier expension Κ:epicyclic frequency rs r

34. Secondary perturbation: initiates density waves at Lindlad resonance radius m=

35. The whole inner region is destroyed by waves

36. Opens a gap in the accretion disk • The outer boundary of the gap: • The inner boundary: r=R/R0; rs=0.8 Lin & Papaloizou, 1986, ApJ

37. Binary-disk resonant interaction Disk truncation due to SMBBHs coalescence 3.3、Removal of matter in the inner accretion disk (Liu, Wu, Cao, 2003, MNRAS)

38. When the SMBBHs merge, the inner diskdisappears and leaves a big hole with a truncation radius (Liu, Wu, Cao, 2002, MNRAS): Refilling time-scale:

39. Interruption of jet formation in Double-double radio galaxies (DDRGs) (Liu, Wu, Cao, 2003, MNRAS) DDRG 3C219 with hot spots in the outer lobes

40. DDRG J0116-473 with winged feature (?) ～1-10% FRIIs

41. 观测、理论对比(Liu et al 03) • 观测：Interruption of jet formation in DDRGs • 理论：吸积盘内区被次黑洞所剔除导致喷流形成短暂中止 • 观测：Two pairs of well-aligned radio lobes • 理论：双黑洞轨道面合并前已与吸积盘共面，双黑洞的并合不会明显改变黑洞自转轴方向，所以新老喷流方向基本一致 • 观测：只在低亮度的FRII射电星系中发现 • 理论：超大质量双黑洞只有在与标准吸积盘相互作用时才导致吸积盘内区被清空。当双黑洞并合时，星系进入其中老年时期，所以相对较暗 • 观测：Interruption time scale: ~ Myr • 理论：当吸积盘物质重新充满内区时新喷流产生。外盘从大约500rG处因粘滞而缓慢填满整个内区所需要时间为t=r/vr~1Myr

42. 3.4、Periodic outbursts in AGNs (Liu & Wu, 2002, A&A; Zhao, Liu, Wu, 2005, A&A, in preparation) • Hydrodynamics • Periodic outbursts due to (1) binary-disk interaction, (2) precession of jet orientation and (3) motion of plasma in helical jets in AGNs • double-peaked outbursts if accretion is advection dominated (ADAF) • Low-luminosity AGNs (e.g. BL Lac objects) • One is thermal and the other is synchrotron emission from jets • single-peaked outbursts if accretion disk is a standard thin disk (e.g. Blazars except BL Lacs)

43. Data: combination of two databases (USA) • University of Michigan Radio Astronomy Observatory (UMRAO) • 35 years; 8.0GHz • National Radio Astronomy Observatory (NRAO) • 21 years; 8.2GHz • 45 BL Lac objects & 91 Quasars • Data analysis • Fourier spectrum analysis, etc

44. Fundamental frequency  (3/2) /2 2 3

45. Four types In 29/45 BL Lac objects and 49/91 quasars: P~1-10 yr

46. Space and Time are periodically distorted 4、超大质量双黑洞并合：4.1、引力波源

48. 当引力波扫过三个探测器时引起相对位置变化。探测器探测变化的幅度和频率当引力波扫过三个探测器时引起相对位置变化。探测器探测变化的幅度和频率 在地球-太阳系统的第二拉格朗日点绕太阳旋转 Laser Interferometer Space Antenna (LISA)

49. LISA和地面探测器LIGO能探测的引力波幅度和频率LISA和地面探测器LIGO能探测的引力波幅度和频率 • Gravitational wave astrophysics: LISA • Merger rates: expectation ~1 event/year • Merger history: hierarchical galaxy formation model • Constraints on formation scenarios of high-z, • low-mass galaxies • BH mass measurements • GW standard candles：引力波宇宙学

50. LISA探测器的候选源