Швидке злиття постньютонівських подвійних надмасивних чорних дір у реальних галактиках

1Соболенко, МО, 1Берцик, ПП, 2Шпурзем, Р, 3Купі, Г
1Головна астрономічна обсерваторія Національної академії наук України, Київ, Україна
2Університет Хайдельберга, Хайдельберг, Німеччина
3Рочестерський Інститут технологій, Рочестер, США
Рубрика: Позагалактична астрономія
Мова: англійська
Анотація: 

Приводяться результати теоретичного моделювання злиття подвійних надмасивних чорних дір за допомогою прямого 2-тільного моделювання з ермітівською схемою інтегрування. Гравітаційна взаємодія чорних дір описується постньютонівським наближенням до 3.5PN-терму. На основі параметричного опису орбіт ПНЧД отримано великий набір моделей. Кінцевий час гравітаційного злиття ПНЧД параметризовано як функцію початкового ексцентриситету та відношення мас q подвійної. Проведено детальне тестування нашого коду. Ми порівнювали PN-терми з аналітичним описом у теоретичних дослідженнях середини 1960-х рр. Проаналізовано амплітуду поляризованого гравітаційного випромінювання та під час злиття ПНЧД. З використанням нашого числового коду оцінено очікуваний час злиття для списку вибраних потенційних SDSS ПНЧД. Наші результати показують, що час злиття досягає тисяч років та є строгою функцією обраного початкового ексцентриситету.

Ключові слова: злиття, теоретичне 2-тільне моделювання, чорна діра
References: 

1. Amaro-Seoane P., Sesana A., HoffmanL., etal. Triplets of supermassive black holes: astrophysics, gravitational waves and deieciion // Mon. Notic. Roy. Astron. Soc.— 2010.—402.—P. 2308—2320.

2. Amaro-Seoane P., Spurzem R. The loss-cone probtem in dense nuclei // Mon. Notic. Roy. Astron. Soc.—2001.—327.—P. 995—1003.

3. Barton E. J., Geller M. J., Kenyon S. J. Tidally triggered star formation in close pairs of galaxies // Astrophys. J.—2000.—530.—P. 660—679.

4. Begelman M. C., Blandford R. D., Rees M. J. Massive black hole binaries in active galactic nuclei // Nature.—1980.—287.—P. 307—309.

5. BellE. F., Naab T., McIntosh D. H., et al. Dry mergers in GEMS: The dynamical evolution of massive early-type galaxies // Astrophys. J.—2006.—640.— P. 241—251.

6. Berczik P., Merritt D., Spurzem R., et al. Efficient merger of binary supermassive black holes in nonaxisymmetric galaxies // Astrophys. J.—2006.—642.—P. 21—24.

7. Berczik P., Nitadori K., Zhong S., et al. High performance massively parallel direct N-body simulations on large GPU clusters // Inter. conf. “High Performance Computing”, Kyiv, Ukraine, October 8—10, 2011. — Kyiv, 2011.—P. 8—18.

8. Berczik P., Spurzem R., Wang L. Up to 700k GPU cores, Kepler, and the Exascale future for simulations of star clusters around black holes // Third International Conference “High Performance Computing” (HPC-UA 2013), Kyiv, Ukraine, October 7—17,2013. — Kyiv, 2013.—P. 52—59.

9. Berentzen I., Preto M., Berczik P., et al. Binary black hole merger in galactic nuclei: Post-Newtonian simulations // Astrophys. J.—2009.—695.—P. 455—468.

10. Blanchet L. Gravitational radiation from post-Newtonian sources and inspiralling compact binaries // Liv. Revs Relativ.—2006.—9.—114 p.

11. Blanchet L., Faye G., Ponsot B. Gravitational field and equations of motion of compact binaries to 5/2 post-Newtonian order // Phys. Rev. D.—1998.—58, N 12.—20 p.

12. Brem P. Effects of general relativity in direct N-body codes: Master’s thesis. — Heidelberg: Astronomisches Rechen-Institut, 2011.—85 p.

13. Brem P., Amaro-Seoane P., Spurzem R. Relativistic mergers of compact binaries in clusters: the fingerprint of the spin // Mon. Notic. Roy. Astron. Soc.—2013.—434. —P. 2999—3007.

14. Bridge C. R., Appleton P. N., Conselice C. J., et al. The role of galaxy interactions and mergers in star formation at z = 1.3: Mid-infrared properties in the Spitzer first look survey // Astrophys. J.—2007.—659.—P. 931—940.

15. Choi E., Naab T., Ostriker J. P., et al. Consequences of mechanical and radiative feedback from black holes in disc galaxy mergers // Mon. Notic. Roy. Astron. Soc.—2014. —42.—P. 440—453.

16. Cutler C. Angular resolution of the LISA gravitational wave detector // Phys. Rev. D.—1998.—57.—P. 7089—7102.

17. Damour T. Gravitational radiation and the motion of compact bodies // Lecture Notes in Physics. — Berlin: Springer Verlag, 1983.—P. 59—144.

18. Damour T., Deruelle N. Generalized lagrangian of two point masses in the post-Newtonian approximation of general-relativity // Comptes rendus de l’Academie des Sci. Ser. II.—1981.—293.—P. 537—540.

19. Damour T., Deruelle N. Radiation reaction and angular momentum loss in small angle gravitational scattering // Phys. Lett. A.—1981.—87.— P.81—84.

20. Damour T., Deruelle N. The two-body problem and radiation damping in general - relativity // Comptes rendus de l’Academie des Sci. Ser. II.—1982.—294.—P. 1355—1357.

21. Damour T., Jaranowski P., Schäfer G. Equival ence between the ADM Hamiltonian and the harmonic-coordinates approaches to the third post-Newtonian dynamics of compact binaries // Phys. Rev. D.—2001.—63 (4).—11 p.

22. Damour T., Schäfer G. Lagrangians for n point masses at the second post-Newtonian approximation of general relativity // Gen. Relativity and Gravitation.—1985.— 17.—P. 879—905.

23. de Andrade V. C., Blanchet L., Faye G. Third post-Newtonian dynamics of compact binaries: Noetherian conserved quantities and equivalence between the harmonic coordinate and ADM-Hamiltonian formalisms // Clastical and Quantum Gravity.— 2001.—18.—P. 753—778.

24. Deruelle N. Sur les équations du mouvement et le rayonnement gravitationnel d’un système binaire en Relativité Générale: PhD thesis. — Paris: Université Pierre et Marie Curie, 1982.

25. Di Matteo P., Bournaud F., Martig M., et al. On the frequency, intensity, and duration of starburst episodes triggered by galaxy interactions and mergers // Astron. and Astrophys.—2008.—492.—P. 31—49.

26. Faye G., Blanchet L., Buonanno A. Higher-order spin effects in the dynamics of compact binaries. I. Equations of motion // Phys. Rev. D.—2006.—74, N 10.—19 p.

27. Frank J. Rees M. J. Effects of massive central black holes on dense stellar systems // Mon. Notic. Roy. Astron. Soc.—1976.—176.—P. 633—647.

28. Governato F., Brook C., Mayer L., et al. Bulgeless dwarf galaxies and dark matter cores from supernova-driven outflows // Nature.—2010.—463.—P. 203—206.

29. Gualandris A., Merritt D. Long-term evolution of massive black hole binaries. IV. Mergers of galaxies with collisionally relaxed nuclei // Astrophys. J.—2012.— 744, N 1.—21 p.

30. Gültekin K., RichstoneD. O., GebhardtK., et al. The M-sigma and M-L relations in galactic bulges, and determinations of their intrinsic scatter // Astrophys. J.—2009.— 698.—P. 198—221.

31. Haehnelt M. G., Kauffmann G. Multiple supermassive black holes in galactic bulges // Mon. Notic. Roy. Astron. Soc.—2002.—336.—P. 61—64.

32. Hénon M. H. The Monte Carlo method // Astrophys. and Space Sci.—1971.—14, N 1.—P. 151—167.

33. Hewitson M., Consortium eLISA. eLISA: A mission to study the entire universe with gravitational waves // Amer. Astron. Soc. Meeting Abstracts.—2014.—223.— P. 248.

34. Hirschmann M., Somerville R. S., Naab T., et al. Origin of the antihierarchical growth of black holes // Mon. Notic. Roy. Astron. Soc.—2012.—426.—P. 237—257.

35. Ju W., Greene J. E., Rafkov R. R., et al. Search for supermassive black hole binaries in the Sloan Digital Sky Survey spectroscopic sample // Astrophys. J.—2013.—777.—16 p.

36. Kauffmann G., HaehneltM. A unified model for the evolution of galaxies and quasars // Mon. Notic. Roy. Astron. Soc.—2000.—311.—P. 576—588.

37. Khan F. M., Berentzen I., Berczik P., et al. Formation and hardening of supermassive black hole binaries in minor mergers of disk galaxtes // Astrophys. J.—2012.— 756.—10 p.

38. Khan F. M., Holley-Bockelmann K., Berczik P., et al. Supermassive black hole binary evolution in axisymmetric galaxtes: The final parsec probtem is not a probtem // Astrophys. J.—2013.—773.—6 p.

39. Khan F. M., Just A., Merritt D. Efficient merger of binary supermassive black holes in merging galaxies // Astrophys. J.—2011.—732.—8 p.

40. Khan F. M., Preto M., Berczik P., et al. Mergers of unequal-mass galaxtes: supermassive black hole binary evolution and structure of merger remnants // Astrophys. J.—2012.—749.—14 p.

41. Kidder L. E. Coalescing binary systems of compact objects to (post)5/2-Newtonian order. V. Spin effects // Phys. Rev. D.—1995.—52.—P. 821—847.

42. Komossa S. Observational evidence for supermassive black hole binaries // AIP Conf. Proc.—2003.—686.—P. 161—174.—(The astrophysics of gravitational wave sources / Ed. J. M. Centrella).

43. Kupi G., Amaro-Seoane P., Spurzem R. Dynamics of compact object clusters: a post-Newtonian study // Mon. Notic. Roy. Astron. Soc.—2006.—371.—P. 45—49.

44. Lin L., Cooper M. C., Jian H.-Y., et al. Where do wet, dry, and mixed galaxy mergers occur? A study of the environments of close galaxy pairs in the DEEP2 galaxy red-shift survey // Astrophys. J.—2010.—718.—P. 1158—1170.

45. Lin L., Koo D. C., Weiner B. J., et al. AEGIS: Enhancement of dust-enshrouded star formation in close galaxy pairs and merging galaxies up to z ~ 1 // Astrophys. J.— 2007.—660.—P. 51—54.

46. Lin L., Patton D. R., Koo D. C., et al. The redshift evolution of wet, dry, and mixed galaxy mergers from close galaxy pairs in the DEEP2 galaxy redshift survey // Astrophys. J.—2008.—681.—P. 232—243.

47. Liu F. K., Li S., Komossa S. A milliparsec supermassive black hole binary candidate in the galaxy SDSS J120136.02 + 300305.5 // Astrophys. J.—2014.—786.—14 p.

48. Mayer L., Kazantzidis S., Escala A., et al. Direct formation of supermassive black holes via multi-scale gas inflows in galaxy mergers // Nature.—2010.—466.—P. 1082— 1084.

49. Merritt D. Brownian motion of a massive binary // Astrophys. J.—2001.—556.—P. 245—264.

50. Merritt D., Milosavljević M. Massive black hole binary evolution // Liv. Revs Relativity.—2005.—8.—63 p.

51. Milosavljević M., Merritt D. Formation of gatactic nuclei // Astrophys. J.—2001.—563.—P. 34—62.

52. Milosavljević M., Merritt D. The final parsec problem // AIP Conf. Proc.—2003.—686.—P. 201—210.—(The astrophysics of gravitational wave sources / Ed. J. M. Centrella).

53. Nitadori K., Makino J. Sixth- and eighth-order Hermite integrator for N-body simulations // New Astronomy.—2008.—13.—P. 498—507.

54. Ohta T., Okamura H., Kimura T., et al. Physically acceptable solution of Einstein’s equation for many-body system // Progr. Theor. Phys.—1973.— 50.—P. 492—514.

55. Ohta T., Okamura H., Kimura T., et al. Coordinate condition and higher order gravitational potential in canonical formalism // Progr. Theor. Phys.—1974.—51.— P. 1598—1612.

56. Ohta T., Okamura H., Kimura T., et al. Higher order gravitational potential for manybody system // Progr. Theor. Phys.—1974.—51.—P. 1220—1238.

57. Overzier R. A., Heckman T. M., Kauffmann G., et al. Hubble space telescope morphologies of local Lyman break galaxy analogs. I. Evidence for starbursts triggered by merging // Astrophys. J.—2008.—677.—P. 37—62.

58. Peters P. C. Gravitational radiation and the motion of two point masses // Phys. Rev.—1964.—136.—P. 1224—1232.

59. Peters P. C., Mathews J. Gravitational radiation from point masses in a Keplerian orbit // Phys. Rev.—1963.—131.—P. 435—440.

60. Preto M., Berentzen I., Berczik P., et al. Fast coalescence of massive black hole binaries from mergers of galactic nuclei: Implications for lowfrequency gravitational-wave astrophysics // Astrophys. J.—2011.—732.—6 p.

61. Rodriguez Zaurin J., Tadhunter C. N., Gonzalez Delgado R. M. The properties of the stellar populations in ULIRGs. II. Star formation histories and evolution // Mon. Notic. Roy. Astron. Soc.—2010.—403.—P. 1317—1330.

62. Sathyaprakash B. S., Schutz B. F. Physics, astrophysics and cosmology with gravitational waves // Liv. Revs Relativity.—2009.—12.—141 p.

63. Sijacki D., Vogelsberger M., Genel S., et al. The Illustris simulation: the evolving population of black holes across cosmic time // Mon. Notic. Roy. Astron. Soc.—2015.— 452.—P. 575—596.

64. Silk J., Rees M. J. Quasars and galaxy formation // Astron. and Astrophys.—1998.—331.—P. 1—4.

65. Soffel M. H. Relativity in astrometry, celestial mechanics and geodesy. — Berlin, Heidelberg, New York: Springer-Verlag, 1989.—208 p.

66. Tagoshi H., Ohashi A., Owen B. J. Gravitational field and equations of motion of spinning compact binaries to 2.5 post-Newtonian order // Phys. Rev. D.—2001.—63, N 4.—14 p.

67. van Dokkum P. G. The recent and continuing assembly of field elliptical galaxies by red mergers // Astrophys. J.—2005.—130.—P. 2647—2665.

68. WangL., Berczik P., Spurzem R., et al. The link between ejected stars, hardening and eccentricity growth of super massive black holes in galactic nuclei // Astrophys. J.—2014. —780.—14 p.

69. Yagi K., Seto N. Detector configuration of DECIGO/BBO and identification of cosmological neutron-star binaries // Phys. Rev. D.—2011.—83, N 4.—14 p.

70. Zhong S., Berczik P., Spurzem R. Super massive black hole in galactic nuclei with tidal disruption of stars // Astrophys. J.—2014.—792.—17 p.

71. Zinchenko I. A., Berczik P., Grebel E. K., et al. On the influence of minor mergers on the radial abundance gradient in disks of milky-way-like galaxies // Astrophys. J.—2015. —806.—17 p.