超大質量雙黑洞系統(tǒng)中的吸積盤-Formationand

超大質量雙黑洞系統(tǒng)中的吸積盤劉富坤北京大學天文系目錄為什么研研究大質質量雙黑黑洞及其其吸積盤盤大質量雙雙黑洞的的形成大質量雙雙黑洞與與吸積盤盤的相互互作用大質量雙雙黑洞的的并合及及引力波波探測結論NGC4676：老鼠星系1、為什么么要研究究超大質質量雙黑黑洞在現(xiàn)在流行的ΛCDM宇宙學中，星系形成是一等級過程觀測：幾乎坐所有星系中心都存在超大質量黑洞理論和觀測：小結構首先形成，并合形成大的目前看到的星系星系并合不可避免地形成超大質量雙黑洞第一代大（中等）質量黑洞吸積與并合形成超大質量黑洞及其自轉1.1、觀測和和ΛCDM宇宙學星系形成成和演化化理論Mice星系的形形成和演演化1.2、活動星星系核供供能問題題星系相互互作用與與并合產(chǎn)產(chǎn)生的非非對稱作作用使星星系盤中中氣體角角動量再再分布，，低角動動量的氣氣體流向向中心激激發(fā)活動動星系核核的活動動mergingGalaxy++galaxygas::starburstsgalaxyEvolutionShort-livedAGNsevolutionNormalgalaxyMartini2004星系與活活動星系系的大統(tǒng)統(tǒng)一模型型（？））1.3、GravitationalWaveAstrophysics:LISA探測器的的一個主主要源探測廣義義相對論論預言的的引力波波，檢驗廣義義相對論論在極端端條件下下的適用用性NS++NSNS++BHWD++NSGravitationalradiationLIGRO,etcBigbangSMBH+SMBHGravitationalradiationGravitationalradiationLISALISA●解釋噴流流噴嘴方方向的周周期性進進動：BLLac1.4、解釋活活動星系系核中特特殊觀測測特性●解釋VLBI尺度上射射電噴流流的螺旋旋形結構構（Begelmanetal,,1980,,Nature）4C12.50●解釋活動動星系核核中周期期性光學學爆發(fā)BLLacobjectOJ287:p=11.86yr(Sillapaaetal.1988,ApJ,Liu&&Wu200,A&A)2、超大質量量超大質質量雙黑黑洞的形形成與pc尺度困難難束縛態(tài)超超大質量量雙黑洞洞的形成成BoundSMBBHsDynamicfrictionGalaxyinteraction動力學粘滯在這過程中起決定性作用低角動量量的氣體體流向中中心黑洞洞，形成成吸積盤盤，引發(fā)發(fā)活動星星系核的的活動。。在此時，，雙黑洞洞間的束束縛能小小于星系系中背景景恒星隨隨機運動動能，雙雙黑洞處處于非束束縛態(tài)：當束縛能能大于隨隨機運動動能時，，雙黑洞洞進入束束縛態(tài)Pre--mergercandidates::3C75A,Bofdouble-pairsofradiojetsTwoactivenucleiinonegalaxyNGC6240:a~1..4kpc（Komossa,etal.,2003,ApJL）Ultra-luminousinfraredgalaxyUnusualopticalmorphology:interactinggalaxyTwox-rayactivenuclei:luminous,hardX-rayemission,strongneutralironlinesfrombothnucleiNuclearseparation:~1.5”=1.4KpcMassratio:q=m/M~1/3(majormerger)BHmasses:2ndcandidate:NGC3690/IC694(Arp299)[Balloetal.04]雙黑洞變變硬背景恒星星同時與與雙黑洞洞發(fā)生三三體碰撞撞，獲得得能量。。當雙黑洞洞單位質質量的束束縛能與與背景恒恒星的隨隨機運動動能相當當時，碰碰撞使恒恒星獲得得逃逸速速度，而而離開原原來位置置。于是是在雙黑黑洞周圍圍相空間間形成無無恒星的的損失錐錐于是，無無動力學學粘滯和和恒星碰碰撞，角角動量無無法損失失Thegravitationalwaveradiationbecomesimportantonlywhen[[Liu,Wu,,Cao03]Thebinarymaystallat~100rg<a<<~~10,,000rgforatime-scalelongerthantheHubbletime-scale在互相繞繞著質心心旋轉時時，雙黑黑洞產(chǎn)生生引力波波輻射，，可以帶帶走角動動量Numericalcomputationsdynamicfriction:(e.g.Yu2002,MNRAS)現(xiàn)有的觀測表明，近鄰星系中并不存在超大質量雙黑洞！Possiblesocalledpc-scaleproblemHierarchicalgalaxyformationmodeliswrongorbinarycanloseitsangularmomentumduetoothermechanism((s)我們應該在緊鄰星系中探測到大量的超大質量雙黑洞3、超大質量量雙黑洞洞與吸積積盤的相相互作用用由于活動動星系核核吸積盤盤半徑雙黑洞在在變硬的的時候就就與吸積積盤發(fā)生生相互作作用對星系并并合形成成的超大大質量雙雙黑洞，，與吸積積盤的相相互作用用決定了了其變硬硬后的演演化命運運(Ivanovetal.,,99,Liu,,etal.,03,,Liu04)我們不清清楚雙黑黑洞是如如何開始始與吸積積盤發(fā)生生相互作作用兩個假設:吸積盤物質來源于星系盤，于是因角動量守恒而與星系盤共面。如果有噴流，噴流則與星系盤垂直

雙黑洞軌道面與吸積盤面夾角由星系碰撞入射角決定，因而呈隨機分布如果雙黑黑洞軌道道內(nèi)吸積積盤質量量Md>m●次黑洞與與吸積盤盤發(fā)生正正碰，產(chǎn)產(chǎn)生激波波、噴泉泉●雙黑洞損損失軌道道角動量量而相互互靠近（Ivanovetal.1998,ApJ）次黑洞靠靠近吸積積盤次黑洞進進入吸積積盤次黑洞穿穿過吸積積盤次黑洞離離開吸積積盤當軌道內(nèi)內(nèi)吸積盤盤物質小小于次黑黑洞物質質時，雙雙黑洞的的作用使使吸積盤盤扭曲、、變形如果>H/r，吸積盤盤的變形形以擴散散形式向向內(nèi)外區(qū)區(qū)傳播最后吸積積盤內(nèi)區(qū)區(qū)與雙黑黑洞軌道道面共面面（Ivanovetal.99,,Liu04）變形傳播播速度決決定于共共振激發(fā)發(fā)角動量量橫向轉轉移（Papaloizou&Pringle1983,MNRAS))共面盤外邊沿在變形向外轉移角動量與粘滯向內(nèi)轉移角動量平衡處：轉動的Kerr黑洞使其其周圍時時空隨其其一起旋旋轉：Lens-Thirringframe-dragging當Kerr黑洞與吸吸積盤不不共面時時，吸積積盤因Lens-Thirring效應與轉轉動的黑黑洞交換換角動量量，吸積積盤內(nèi)區(qū)區(qū)于是在在短時間間內(nèi)與黑黑洞赤道道面共面面Bardeen-Peterson效應(Bardeen&Peterson75)共面區(qū)域域的半徑徑稱為Bardeen-Peterson半徑吸積盤與與軌道面面的共面面至Bardeen-Peterson半徑在BP半徑處，，向內(nèi)、、外轉移移角動量量達到平平衡對典型活活動星系系核黑洞洞吸積，，BP半徑為根據(jù)牛頓頓第三定定律，在在Kerr黑洞改變變吸積盤盤內(nèi)區(qū)的的同時，，吸積盤盤也同時時改變黑黑洞自轉轉軸方向向并最終終使黑洞洞自轉軸軸與吸積積盤垂直直。這一一過程大大約需要要時間：：因此，超超大質量量雙黑洞洞與吸積積盤間的的相互作作用使中中心黑洞洞自轉軸軸方向由由初始時時垂直于于星系盤盤而改變變?yōu)榇怪敝庇陔p黑黑洞軌道道面由于相對對論噴流流總是沿沿黑洞自自轉軸方方向形成成，黑洞洞自轉軸軸的改變變將直接接導致噴噴流方向向改變Observationalevidenceforthedisk-binaryinteraction3C326X-shapedradiosources（Liu2004,MNRAS）3C403觀測、理理論對碰碰對觀測：大約7%的射電源源屬于X-形態(tài)源[Leahy&&Parma92]理論：噴流等等離子體體遺跡可可探測時時間大約約一千萬萬年，7%的探測概概率意味味著低亮亮度的FRII射電星系系壽命大大約一億億年。這這和測得得的AGN壽命一致致觀測：X-形射電形形態(tài)只在在低亮度度的FRII射電星系系中存在在(Dennett-Thorpeetal02)理論：噴流方向向的改變變只發(fā)生生于有標標準吸積積盤系統(tǒng)統(tǒng)中，具具有非標標準盤的的系統(tǒng)噴噴流方向向不變?！，F(xiàn)有的的觀測表表明，F(xiàn)RII射電星系系中的吸吸積盤是是標準的的而FRI射電星系系中的吸吸積盤則則很可能能是非標標準的觀測：噴流遺跡跡與寄住住星系盤盤垂直理論：在吸積積盤與超超大質量量雙黑洞洞發(fā)生相相互作用用前，吸吸積盤因因角動量量守恒而而與星系系盤共面面，因而而產(chǎn)生的的噴流與與吸積盤盤和星系系盤垂直直觀測：活動的噴噴流隨機機取向理論：新噴流流方向垂垂直于雙雙黑洞軌軌道面，，而星系系并合形形成的超超大質量量雙黑洞洞相對于于星系盤盤取向隨隨機VLA0.05”HST0.05”156radiosourcesRandomdistributionofjetorientations(Liu,,Zhang,Wu,2005,inpreparation)Random((KS----0.124))WithrespecttomajoraxisofhostgalaxyWithrespecttodustlaneinhostgalaxyΦ:anglebetweendustlaneandmajoraxisofhostgalaxyRelaxedsystemUnrelaxedsystem3.2Coplanarbinary-disksystem:resonantinteractionThepotentialduetothesecondaryrrsFourierexpensionΚ:epicyclicfrequencySecondaryperturbation:initiatesdensitywavesatLindladresonanceradiusm=ThewholeinnerregionisdestroyedbywavesOpensagapintheaccretiondiskTheouterboundaryofthegap:Theinnerboundary::Lin&&Papaloizou,1986,,ApJr=R//R0;;rs=0.83.3、Removalofmatterintheinneraccretiondisk(Liu,,Wu,Cao,2003,,MNRAS)Binary-diskresonantinteractionDisktruncationduetoSMBBHscoalescenceWhentheSMBBHsmerge,theinnerdiskdisappearsandleavesabigholewithatruncationradius(Liu,,Wu,Cao,2002,,MNRAS):Refillingtime-scale:InterruptionofjetformationinDouble--doubleradiogalaxies(DDRGs)(Liu,Wu,Cao,2003,,MNRAS)DDRG3C219withhotspotsintheouterlobesDDRGJ0116-473withwingedfeature(?)～1-10%FRIIs觀測、理理論對比比(Liuetal03)觀測：InterruptionofjetformationinDDRGs理論：吸積盤盤內(nèi)區(qū)被被次黑洞洞所剔除除導致噴噴流形成成短暫中中止觀測：Twopairsofwell-alignedradiolobes理論：雙黑洞洞軌道面面合并前前已與吸吸積盤共共面，雙雙黑洞的的并合不不會明顯顯改變黑黑洞自轉轉軸方向向，所以以新老噴噴流方向向基本一一致觀測：只在低低亮度的的FRII射電星系系中發(fā)現(xiàn)現(xiàn)理論：超大質質量雙黑黑洞只有有在與標標準吸積積盤相互互作用時時才導致致吸積盤盤內(nèi)區(qū)被被清空。。當雙黑黑洞并合合時，星星系進入入其中老老年時期期，所以以相對較較暗觀測：Interruptiontimescale:~~Myr理論：當吸積積盤物質質重新充充滿內(nèi)區(qū)區(qū)時新噴噴流產(chǎn)生生。外盤盤從大約約500rG處因粘滯滯而緩慢慢填滿整整個內(nèi)區(qū)區(qū)所需要要時間為為t=r//vr~~1Myr3.4、PeriodicoutburstsinAGNs(Liu&Wu,,2002,,A&&A;Zhao,,Liu,Wu,,2005,,A&&A,inpreparation))HydrodynamicsPeriodicoutburstsdueto(1)binary--diskinteraction,((2))precessionofjetorientationand((3)motionofplasmainhelicaljetsinAGNsdouble--peakedoutburstsifaccretionisadvectiondominated((ADAF)Low--luminosityAGNs(e.g.BLLacobjects)Oneisthermalandtheotherissynchrotronemissionfromjetssingle--peakedoutburstsifaccretiondiskisastandardthindisk((e.g.BlazarsexceptBLLacs)Data::combinationoftwodatabases((USA)UniversityofMichiganRadioAstronomyObservatory((UMRAO))35years;8.0GHzNationalRadioAstronomyObservatory((NRAO))21years;8.2GHz45BLLacobjects&&91QuasarsDataanalysisFourierspectrumanalysis,etc(3/2)23/2FundamentalfrequencyFourtypesIn29/45BLLacobjectsand49//91quasars:P~1--10yr4、超大質質量雙黑黑洞并合合：4.1、引力波波源SpaceandTimeareperiodicallydistortedLaserInterferometerSpaceAntenna(LISA)在地球-太陽系統(tǒng)的第二拉格朗日點繞太陽旋轉當引力波掃過三個探測器時引起相對位置變化。探測器探測變化的幅度和頻率LISA和地面探測器LIGO能探測的引力波幅度和頻率Gravitationalwaveastrophysics:LISAMe