黑洞双星合并中轨道自旋的演化：来自外部第三体的效应

The detection of gravitational waves has been successfully implemented by aLIGO, which is the first direct evidence of the formation and merger of stellar-mass binary black holes (BBH) in the local universe. The formation of such kind of sources has always been an important research problem in astronomy. Currently, there are two major formation channels: in the field via binary star evolution, or in dense stellar systems via dynamical interactions. However, the masses and merger rates predicted by these models often significantly overlap, making it difficult to discriminate between different formation channels for BBHs. Considering the distribution of BH spin orientations depends heavily on the binary formation mechanism, we include spin-orbit coupling and study the evolution of spin in the merging BBH, and try to find the signature of the dynamical channel. We assume the evolution of BBH is perturbed by the distant third body. If Kozai effect comes into play, the orbit of BBH become eccentric and the precession rate of spin is varied. We consider the third body moves around the center mass of the BBH on a circular (quadrupole approximation) and non-circular orbit (octupole approximation), respectively, and try to explore the dependence of the final spin-orbit misalignment on the orbital elements. This is useful to differentiate the formation channels of the aLIGO sources.

引力波的探测已经被aLIGO成功实现，它被认为是对近邻宇宙中恒星级黑洞双星合并的直接观测证据。而这种引力波源的形成一直是天文学的一个重要研究问题。目前主流的理论模型分两种：星系中孤立的恒星双星演化与星团中多体的动力学演化。但两种形成渠道对引力波源质量与合并率的预言都很相似。考虑到黑洞自旋方向的分布强烈依赖于黑洞双星的形成渠道，本课题引入自旋轨道耦合，研究多体相互作用下合并双黑洞自旋的演化，试图找出此动力学渠道的特征。我们假设黑洞双星的演化受到远处第三体的微扰。如果Kozai效应发生作用，双黑洞的开普勒轨道会变椭，加速引力波的辐射，并且自旋的进动频率被改变。我们分别考虑第三体以圆轨道（轨道相互作用势能的四极矩近似）与非圆轨道（八极矩近似）绕旋黑洞双星，研究最终合并阶段自旋轨道间夹角对轨道参数的依赖关系，尝试发现统计规律。如果特征显著，将有助于区分甚至验证探测到的引力波源的形成渠道。

最近几年，将近50起黑洞双星的并合事件通过引力波被aLIGO/VIRGO成功探测到。然而，如何形成宇宙年龄内的并合双黑洞尚不清楚。本项目旨在研究黑洞双星在远处第三体微扰下的并合，并且考察黑洞自旋方向在合并发生时的统计特征。我们基于不同质量比的黑洞双星，考虑所有可能存在的第三体微扰，采用不同的数值计算方法模拟三体系统及其自旋的演化。我们发现黑洞双星在第三体作用下可能会发生Kozai振荡，激发轨道偏心率，提高引力辐射效率，从而产生宇宙年龄内的合并。而且在Kozai诱导的双黑洞合并过程中，自旋呈现出复杂的演化，依赖于轨道演化。从初始平行于轨道角动量方向的自旋方向在最终合并时表现为广泛分布。这其中，对于质量接近的黑洞双星，最终自旋多表现为“躺”在轨道平面内，对于质量比较小的双星系统，自旋表现为随机分布。此外，我们还计算了有效自旋参量（引力波探测中直接得到的含自旋信息的观测量）eff，发现在Kozai诱导的双黑洞合并渠道里，eff的分布呈现出显著的统计特征（峰值集中在零附近）。这可以用来区分并合双黑洞的形成渠道。