星系中心超大质量双黑洞轨道面方向的演化

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星系是宇宙的基本构建单元之一。在目前的冷暗物质宇宙学模型下,结构的形成是层级化的,小的星系会并合成大的星系。观测表明,大多数星系中心存在超大质量黑洞,因此超大质量双黑洞是星系并合的很自然的产物。在球对称的恒星系统中,由于初始损失锥中的恒星消耗完后得不到有效的补充,双黑洞的轨道衰减会停滞。而在三轴或轴对称的恒星系统中,大量的恒星可以进动到损失锥中与双黑洞相互作用,双黑洞的轨道衰减不会停滞,直至双黑洞由于引力波辐射而并合。  双黑洞的半长轴和轨道面方向的演化是双黑洞轨道演化的两个十分重要的方面。有关双黑洞轨道演化的研究大多集中在半长轴的演化上,而甚少有考虑轨道面方向演化的。在球对称的恒星系统中,双黑洞的轨道面方向的演化类似于随机行走。在旋转的球对称恒星系统中,恒星系统有一个总的非零角动量,双黑洞轨道面方向会向总的非零角动量的方向靠近。本文中我们系统研究了双黑洞轨道面方向在轴对称或三轴恒星系统中的演化。我们的主要结果有:  1.三轴势场中能运动到双黑洞附近的恒星的初始角动量可以远大于损失锥中恒星的角动量,并且他们所经历的运动时间远小于Hubble时间。进一步证实在三轴星系中即使初始的损失锥中的恒星被双黑洞耗尽后,由于三轴势场的力矩,会有大量的恒星进动到损失锥中,继续与双黑洞相互作用,因而双黑洞的轨道衰减不会停滞。  2.在轴对称和三轴势场中,当恒星运动到双黑洞附近时恒星的角动量方向的分布是各向异性的,并且与恒星的能量及势场的三轴性或扁率有关。恒星角动量方向分布的优势方向在势场第三主轴,即最短的主轴(z)轴方向,并且在轴对称势场中z轴方向作为优势方向更为明显。我们根据恒星角动量方向分布与各向同性分布偏离的程度定义各向异性值。各向异性峰值会随着恒星的能量和势场的变化而变化,并且有一个峰值。我们把峰值所在的恒星的能量称为峰值能量。在三轴性强的势场中,峰值能量低。  3.轴对称和三轴势场中,双黑洞轨道面方向的演化不再是随机行走,而是有规律的进动和章动。双黑洞轨道面的进动方向与其轨道运动方向逆行。双黑洞轨道面的章动在轴对称势场中更加明显,由于轨道面在x—y面(第一主轴和第二主轴所在的面)附近的恒星数目较多,这些恒星会对双黑涧轨道面施加一个统计上的力矩,双黑洞轨道面也会向这个面靠近。从双黑洞角动量方向的统计分布来看,在三轴势场中,双黑洞角动量方向近似均匀分布,在轴对称的势场中,角动量方向在z轴附近的双黑洞数目明显增多。  4.在三轴和轴对称势场中,双黑洞轨道面方向的演化对恒星质量的依赖很微弱,并且双黑洞轨道面方向的演化受双黑洞半长轴的衰减的影响是可以忽略的。真实双黑洞轨道面方向的演化取决于与其相互作用的恒星的能量,因为运动到双黑洞附近的恒星的角动量方向的分布与恒星的能量有关。纯的三轴势场本身也会直接影响双黑洞轨道面方向的演化,尽管这种影响可能很微弱。
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