ブラックホールのスピンが整列する現象を観測 (A cosmic love story: Black hole spins align)

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2025-02-14 ノースウェスタン大学

ノースウェスタン大学の天体物理学者たちは、混雑した星団で形成された連星ブラックホールが合体する前にスピンを整列させることを発見しました。従来の研究では、これらのスピンは無秩序でランダムであると考えられていましたが、新たなシミュレーションによれば、ブラックホールが巨大な星と衝突し、その星を引き裂いて質量を増加させる過程で、スピンが軌道運動の方向と一致するように再調整されることが示されました。この研究成果は、2025年2月14日にThe Astrophysical Journal Letters誌に掲載されました。

<関連情報>

大質量星との衝突後に合体する二重ブラックホールにおけるスピンと軌道の整列 Spin-Orbit Alignment in Merging Binary Black Holes Following Collisions with Massive Stars

Fulya Kıroğlu, James C. Lombardi Jr., Kyle Kremer, Hans D. Vanderzyden, Frederic A. Rasio
arXiv  last revised 13 Feb 2025 (this version, v2)
DOI:https://doi.org/10.48550/arXiv.2501.09068

ブラックホールのスピンが整列する現象を観測 (A cosmic love story: Black hole spins align)

Abstract

Merging binary black holes (BBHs) formed dynamically in dense star clusters are expected to have uncorrelated spin–orbit orientations since they are assembled through many random interactions. However, measured effective spins in BBHs detected by LIGO/Virgo/KAGRA hint at additional physical processes that may introduce anisotropy. Here we address this question by exploring the impact of stellar collisions, and accretion of collision debris, on the spin–orbit alignment in merging BBHs formed in dense star clusters. Through hydrodynamic simulations, we study the regime where the disruption of a massive star by a BBH causes the stellar debris to form individual accretion disks bound to each black hole. We show that these disks, which are randomly oriented relative to the binary orbital plane after the initial disruption of the star, can be reoriented by strong tidal torques in the binary near pericenter passages. Following accretion by the BHs on longer timescales, BBHs with small but preferentially positive effective spin parameters (χef≲0.2) are formed. Our results indicate that BBH collisions in young massive star clusters could contribute to the observed trend toward small positive χeff, and we suggest that the standard assumption often made that dynamically assembled BBHs should have isotropically distributed BH spins is not always justified.

1701物理及び化学
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