双恒星级黑洞并合，原来各自的吸积盘会怎样？是否有引力波的电磁对应体？ -云顶yd2223线路检测

自2015年首次检测到引力波以来，迄今已观测到约90个引力波事件。特别地，2017年8月17日观测到的“gw170817”成为历史上首次捕捉到由中子星之间的合并引起的引力波事件。更重要的是，通过世界各地的地面太空望远镜进行追踪观测，捕捉到了各波段的电磁波“余辉”。

事实上，确信捕捉到伴随引力波事件的电磁波对应体的迄今为止只有这个gw170817。检测到引力波的引力波望远镜是美国的“ligo”( 2台)和意大利的“virgo”，但即使3台同时观测无法精确求出引力波源的位置，只能聚焦到天球上的某个范围，因此通过追踪观测也很难找到对应天体。

引力波是由中子星之间( ns-ns )、黑洞和中子星( bh-ns )、黑洞之间( bh-bh )等各种致密天体合并时发出的，我们可以从引力波的波形判断出是哪种类型。在过去检测到的引力波中，约9成来自bh-bh的合并。由于光也无法逃出黑洞的引力，因此一直认为bh-bh的合并体不会发出电磁波。但是真的是这样的吗？如本题所述，吸积盘有没有可能起到某些作用产生电磁波等情况目前还研究的很少。

比如，在2019年捕捉到的引力波事件“gw190521”中，尽管是bh-bh合体，但在引力波源的推定区域附近，巡天项目“ztf”的照相机捕捉到了瞬变的闪光事件“ztf19abanrhr”。

ztf19abanrhr是否是gw190521的电磁波对应体至今仍在争论。以此为契机，几种通过bh-bh的合并辐射电磁波的模型被提出。这就需要探明bh-bh合并真的能发出电磁波吗，可以发出的话亮度会有多少呢。

最近，以日本国立天文台和西班牙加那利天体物理研究所( iac )为中心的研究小组，利用昂星团望远镜和加那利大型望远镜（gtc）对2020年2月24日ligo和virgo检测到的bh-bh引力波事件「gw200224_222234」（以下gw200224）进行了追踪观测。

昴星团望远镜使用了超宽视野主焦点照相机“hsc”，在引力波检测12小时后，进行了覆盖引力波推定来源区域约91%范围的拍摄，以寻找瞬变体。

研究小组用gtc对在这次拍摄中发现的瞬变体的母银河进行分光并测量距离，鉴定出了19个gw200224的对应天体候选。但是，没有找到一个与gw200224有明显关联的天体。该结果表明，在gw200224附近没有发现与2019年的ztf19abanrhr一样明亮的电磁波现象。

从2015年到2020年，利用ligo、virgo进行的引力波检测共计进行了3期，2020年第3期运行( o3 )的最后阶段，还有日本的“kagra”也参加了。预计从今年5月开始进行这4台设备的第4期运行( o4 )。 研究小组还将使用昴星和gtc对在o4中检测出的引力波事件进行追踪观测。

期待第4期的运行吧。

参考

takayuki ohgami et al 2023 apj 947 9

一开始提这个问题，是因为看之前的ligo和virgo发现的双致密天体合并事件，好像都没有提到关于致密天体周围有吸积盘的情况。所以就想问下，如果并合前双黑洞都各自有吸积盘，会发生什么。

比如说，我们知道仙女座大星系和银河系会在数十亿年之后碰撞合并，两个漩涡星系的盘被巨大的引力所扭曲，并最终融合为一个椭圆星系。带吸积盘的双黑洞并合是否会有类似的表现呢？吸积盘会被双黑洞造成的时空弯曲所拖拽扭曲么？是会碰撞得四处飞溅还是会被迅速吸入并合后的黑洞？并合后四散的物质回落是否会形成一个残余盘？等等。

最近也偶然看到了几篇做类似工作的文章。

ivanov等人模拟过双超大质量黑洞的碰撞（hydrodynamics of black hole-accretion disk collision）^[1]。假定黑洞的运动轨迹穿过另一颗黑洞的吸积盘面，会产生热的、光学厚的、辐射主导的气体外流。当两个黑洞并合时也会发生这种情况。即使它们不穿越彼此的吸积盘，也会引起盘的加热。

在引力波事件gw150914中，fermi望远镜观测到了短伽马射线暴。一般而言，我们说长伽马射线暴来自大质量恒星的坍缩，短暴来自双中子星的并合。然而，gw150914是由两颗黑洞（36倍太阳质量和29倍太阳质量）并合形成的，与上面的观点不符。2016年，perna等人提出^[2]，这俩黑洞前身是两颗大质量、低金属丰度的恒星，主序阶段的自转速度大约为临界速度（恒星瓦解）的几分之一，最终都经历了较弱的超新星爆发。一颗爆炸的恒星外面存在受引力束缚的包层，在较大的半径处形成盘并圆化。该盘冷却后抑制了磁旋不稳定性（magnetorotational instability）和粘滞效应（viscosity），成为了处于休眠状态的“长寿的死盘”。直到并合前的几秒钟，强大的潮汐扭矩和冲击将盘再次加热并触发吸积，盘迅速被吸入合并的黑洞中，同时也产生了短伽马射线暴。

后来，kimura等人^[3]改进了死盘模型，仔细考虑了来自伴星的潮汐力矩和激活磁旋不稳定性的临界电离度的影响。他们发现，死盘的质量要比perna等人得到的质量低得多。当双星靠的很近时，由潮汐力矩导致的质量流入会重新激活磁旋不稳定性，黑洞会再次启动对该盘的吸积。他们还发现这种盘的 "复活"发生在合并数千年之前。随着双星靠近，潮汐力矩增强，引起的质量吸积加剧，相对论喷流可能在合并前就被喷射出来。与伽马射线暴相比，这些喷流的辐射非常微弱（如果并合事件发生在10 mpc以内，或者黑洞的质量达到10万倍太阳质量，则可以探测到）。

martin等人^[4]发现对于环双黑洞盘（双黑洞外面有一个共同的盘），如果质量较大，并且在黑洞并合的冲击中产生的辐射能够有效逃离的话，就有可能出现并合的时候探测到相应的电磁信号。khan等人^[5]针对gw150914也做了环双黑洞盘在完全相对论下的磁流体动力学模拟，发现这样的系统可以解释可能的引力波和电磁对应体（比如gw150915发生0.4秒之后fermi探测到的硬x射线信号）。

参考

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当两个恒星级黑洞合并时，它们各自的吸积盘会发生复杂的物理过程。在这个过程中，吸积盘中的物质会受到强烈的引力相互作用，从而导致它们加速旋转，并且放出大量的能量。本文将介绍双恒星级黑洞并合时吸积盘的物理过程，并探讨其是否会产生引力波的电磁对应体。

首先，当两个黑洞开始靠近时，它们周围的吸积盘也会受到影响。黑洞的引力会扰动吸积盘的物质，从而导致物质开始聚集在黑洞周围，并形成一个更加密集的吸积盘。这个过程会释放大量的能量，并产生强烈的辐射。这些辐射可以通过x射线和光学波段的望远镜进行观测，并提供有关黑洞物理性质的重要信息。

当两个黑洞最终合并时，它们周围的吸积盘也会受到极端的引力相互作用。这个过程会产生非常强烈的引力波，并释放出大量的能量。一些理论研究表明，这个过程也可能会形成电磁波，即引力波的电磁对应体。

引力波是一种扰动引力场的扰动，它可以通过广义相对论进行描述。当黑洞合并时，它们的引力场也会产生扰动，并形成引力波。这些引力波可以通过高精度的引力波探测器进行观测，并提供有关黑洞物理性质的重要信息。

电磁波是一种扰动电磁场的扰动，它可以通过经典电磁理论进行描述。在黑洞合并的过程中，可能会产生一些电磁辐射。这些电磁波可以被观测到，并提供有关黑洞物理性质的信息。

一些理论研究表明，在黑洞合并的过程中，可能会产生一些电磁波。这些电磁波的频率和强度取决于黑洞的质量和自旋，以及吸积盘的性质。如果这些电磁波能够被观测到，它们将提供有关黑洞物理性质的重要信息，并帮助我们更好地理解引力波和黑洞物理。

然而，目前还没有确凿的证据表明双恒星级黑洞并合会产生引力波的电磁对应体。虽然一些理论研究表明这是可能的，但目前还没有观测到这种现象。这主要是因为黑洞合并时产生的引力波信号非常弱，需要高精度的引力波探测器才能够观测到。而电磁波则很难从其他背景辐射中区分出来。

另外，吸积盘在黑洞合并过程中的演化也是一个非常复杂的问题。在吸积盘中的物质在黑洞周围聚集时，它们会受到强烈的引力作用，并发生复杂的动力学过程。这些过程可能导致吸积盘中的物质被强烈加热，从而产生高能辐射，包括x射线和伽马射线等。这些辐射可以提供有关吸积盘和黑洞物理性质的信息，并帮助我们更好地理解双恒星级黑洞并合的物理过程。

总之，双恒星级黑洞并合时，它们周围的吸积盘会发生复杂的物理过程，产生大量的能量和辐射。尽管目前还没有确凿的证据表明它们会产生引力波的电磁对应体，但这是一个有趣的研究领域，未来的观测和理论研究可能会帮助我们更好地理解黑洞物理性质。

在双恒星级黑洞合并时，各自的吸积盘会发生剧烈的运动，甚至可能被摧毁，形成强烈的高能辐射。如果吸积盘的物质被富集且有足够高的能量，它们可以放射出可见光、紫外线、x射线和伽马射线等电磁波，这些都是被称为活动星系核的天体特征中常见的。

此外，在双恒星黑洞并合的过程中，可以产生引力波。引力波是时空弯曲引起的扰动，它们可以从由大质量天体（如两个恒星或恒星级黑洞）并合的过程中产生。这些引力波在通过空间的传播时，会导致传播路径上存在类似于声音的“微弱震荡”，被称为引力波事件。因此，引力波可以被认为是黑洞并合等庞大天体动态事件的电磁对应体。