LIGO/Virgo/KAGRA迄今為止發(fā)現(xiàn)了近百個高頻引力波事例，大部分是由恒星級雙黑洞并合過程產(chǎn)生的。這些雙黑洞是如何并合的還眾說紛紜。活動星系核吸積盤內(nèi)的雙黑洞并合為這些高頻引力波源提供了一個獨特的動力學渠道。但活動星系核渠道如何促使雙黑洞并合，以及其對應(yīng)的吸積過程還是未解之謎。本文將綜述我們近些年基于數(shù)值模擬對這些問題的一些探索。

活動星系核吸積盤內(nèi)的恒星質(zhì)量雙黑洞的并合為LIGO/Virgo/KAGRA探測到的高頻引力波源提供了一個獨特的動力學渠道。活動星系核吸積盤內(nèi)的恒星質(zhì)量黑洞（簡稱為“衛(wèi)星黑洞”）可以通過外盤區(qū)域的引力不穩(wěn)定性或通過核區(qū)星團的動力學捕獲形成。這些黑洞在周圍氣體的幫助下在經(jīng)歷密近交匯時，可以形成嵌入吸積盤內(nèi)的雙黑洞。嵌入雙黑洞周圍的致密氣體環(huán)境可以形成更大質(zhì)量的并合事例，并可能產(chǎn)生具有可檢測的電磁信號。除此之外，活動星系核吸積盤上的并合雙黑洞的自旋、偏心率分布等特征也和傳統(tǒng)的雙黑洞并合過程顯著不同。發(fā)現(xiàn)的迄今為止最重雙黑洞并合事件GW 190521及其潛在的電磁對應(yīng)體，正是活動星系核渠道的一個有力候選者。這些都促使了活動星系核吸積盤上的雙黑洞并合渠道得到了空前廣泛的關(guān)注。然而，由于涉及復雜的多尺度物理過程，活動星系核吸積盤內(nèi)雙黑洞的動力學演化和吸積過程仍然在很大程度上是個未解之謎。

為了理解這一動力學通道中雙黑洞動力學演化和其吸積過程，最好的方式是進行多維流體數(shù)值模擬。借鑒原行星盤中行星-盤相互作用的數(shù)值模擬經(jīng)驗，我們在理解活動星系核吸積盤內(nèi)雙黑洞的吸積、形成和演化方面取得了顯著進展。內(nèi)嵌的衛(wèi)星黑洞的吸積受活動星系核吸積盤背景剪切流的角動量供應(yīng)和嵌入黑洞對活動星系核吸積盤的潮汐力矩的影響。同時，這也可能導致衛(wèi)星黑洞周圍環(huán)單星盤的形成。由于背景流的較差旋轉(zhuǎn)和雙黑洞潮汐作用的影響，衛(wèi)星雙黑洞的吸積與經(jīng)典的邦迪（Bondi）吸積顯著不同。盡管衛(wèi)星黑洞的吸積率相比邦迪吸積大大降低，但其仍遠遠超過自身的愛丁頓吸積率，從而有可能產(chǎn)生可觀測的電磁輻射。但是，衛(wèi)星黑洞的反饋可以進一步抑制這些恒星質(zhì)量黑洞的吸積率。

吸積盤上雙黑洞模擬結(jié)果。(a) 全局氣體結(jié)構(gòu)，雙黑洞公轉(zhuǎn)軌道區(qū)域的暗黑色表示低密度區(qū)，其他亮色區(qū)域表示高密度區(qū)域。(b) 圖(a)在雙黑洞附近的放大圖。中間兩個亮點表示雙黑洞所在位置

準確考慮氣體盤對雙黑洞演化的動力學影響需要解析衛(wèi)星雙黑洞周圍的子盤結(jié)構(gòu)，包括環(huán)單星盤結(jié)構(gòu)、環(huán)雙星盤和附近的旋臂結(jié)構(gòu)。衛(wèi)星雙黑洞周圍的子盤結(jié)構(gòu)可以顯著改變嵌入雙黑洞的動力學演化，在某些條件下甚至可能導致雙黑洞軌道隨時間擴張。然而，最近的研究也發(fā)現(xiàn)，存在一個廣泛的參數(shù)空間，在該空間內(nèi)雙黑洞可以有效地收縮其軌道。

此外，關(guān)于嵌入活動星系核吸積盤內(nèi)衛(wèi)星雙黑洞的動力學渠道，仍有許多未解之謎。本文介紹了活動星系核吸積盤上衛(wèi)星黑洞形成、演化和其吸積的最新進展，以及仍然存在的一些問題和將來的發(fā)展方向。

本文收錄于“超大質(zhì)量黑洞吸積盤中恒星的形成和演化專題”。

李亞平. 活動星系核吸積盤上恒星級黑洞吸積和動力學演化. 科學通報, 2025, 70(3): 387–397,

https://doi.org/10.1360/TB-2024-0614

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