引力波的观测结果表明存在一些高自旋的黑洞,但是我们仍然不知道它们是如何形成的。一种可能的方式是利用一个沃尔夫-拉叶星和其黑洞伴星之间的潮汐作用加速这个沃尔夫-拉叶星的自转。我们研究了这个过程,并通过直接求解沃尔夫-拉叶星内部的潮汐激发振动,计算了这个双星系统的耦合自旋-轨道演化。我们发现对于短周期公转和大质量沃尔夫-拉叶星,在潮汐演化中起主要作用的是驻波g模式,而不是通常假设的传播g模式(Zahn模型)。这些驻波的阻尼没有传播波显著,因此其致使的潮汐自转加速也相对来说更为低效。对于这类双星,我们预测它们的潮汐轨道-自旋同步很难发生。其最终形成的黑洞自旋一般小于0.4,除非一开始双星公转周期就非常短。我们也讨论了非线性阻尼可能的影响,和一种新发现的重力-热力波混合模式。
在Zahn的经典模型里,潮汐激发g模式是有着较大阻尼的传播波(红线)。但是对高频率模式,其实际上应该是驻波(绿线)。
已发现的系外行星里,有许多属于短周期行星,这些行星只要几天就可以绕它们的宿主恒星公转一周。因为距离宿主恒星很近,它们的潮汐力有可能激发宿主恒星的内部重力波振动,导致这些行星向恒星转移它们的公转能量与角动量,从而发生轨道衰减现象。我们研究了一种称为“潮汐共振锁定”的效应。在这个过程中,行星被锁定在宿主恒星的某个重力波模式的共振里。因为恒星的重力波模式一般只随恒星结构演化而演化,处在锁定中的行星轨道也只能跟随与之相同的时标演化,这可能导致比其他潮汐理论快得多的轨道衰减。因为非线性阻尼的存在,共振锁定在太阳型恒星中可能只会作用于低质量的行星,但对于拥有对流核的大质量恒星,任意行星质量都有可能产生此效应。我们计算了这个过程中的潮汐质量因子,发现其取决于行星的质量与轨道周期。我们还针对几个具体的系统做了预测,并结合共振锁定与非线性耗散,研究了它们的公转演化。我们的模型指出,大质量短周期行星会因为非线性阻尼而迅速被摧毁,但小质量短周期行星可以幸存,不过它们仍会产生可观的轨道迁移。
当一颗行星诞生后,它很快被某一个恒星的内部振动模式捕获,使得它的公转轨道随其一同演化(共振锁定),直到它足够接近恒星后被潮汐效应撕裂
早期宇宙中的超大质量黑洞如何形成仍是一个未解之谜。人们提出了一些理论(例如超爱丁顿吸积或小质量黑洞的失控碰撞),但这些方式都需要一个“种子黑洞”处于星系中心位置。一般认为这个过程可以借助种子黑洞的动力学摩擦完成,但是近年来的研究指出,对高红移星系,动力学摩擦可能不足以让种子黑洞沉入星系中心。在这份工作中,我们利用最新的宇宙学模拟研究了这个“沉没问题”。我们发现一亿倍太阳质量以下的黑洞种子无法有效地沉入典型高红移星系的中心,但是这个质量已经进入了超大质量黑洞的范围。我们讨论了两种可能的解决方式:增加黑洞种子数量使得某个种子恰好可以陷入星系中心,或黑洞种子被裹挟在高密度结构(如星团)中,获得超过质量阈值的有效质量。我们估计了这些途径的有效性,并讨论了一些不足之处。
高红移星系作为很不规则与混乱的系统,其内部的黑洞动力学可能极其复杂
当一个物体穿越一个由更轻的粒子组成的粒子云时,与背景粒子的连续二体散射会使得它损失动量。如果背景粒子的引力势被近似为由连续介质所激发,则有必要添加一个额外的动力学摩擦项到动力学方程中,这一项对超大质量黑洞的动力学尤其重要。历史上对于动力学摩擦的估计一般基于钱德拉塞卡动力学摩擦公式,而它只能应用于无穷大、均匀、各向同性与麦克斯韦速度分布的背景粒子场。与我们的合作者菲利普·霍普金斯、路克·左坦·凯利与克劳德-安德烈·富歇尔-吉盖尔一起,我们开发了一个新的动力学摩擦估计器,可以应用于任意背景粒子的相空间分布。当应用于N体模拟时,我们的新估计器避免了钱德拉塞卡公式里一些定义不良好的物理量,并且在计算上更为高效。
相比于平滑引力场,真正的二体散射对测试粒子施加了一个等效的“动力学摩擦”
大质量恒星的内部旋转动力学仍然不为人所知。如果恒星核不会向恒星外层输运角动量,那么巨大的核角动量将在核坍缩时形成快速自转的中子星。然而,对低质量恒星的观测表明一个高效的角动量输运机制在起作用,这可能会大大减少中子星的自旋。与合作者吉姆·富勒一起,我们研究了流体斜压不稳定性与磁流体Tayler不稳定性在分层旋转的恒星辐射区域中的效应。尽管斜压不稳定性可能发生,Tayler不稳定性可能对角动量输运更加有效。我们把富勒等人2019年的工作中得到的Tayler扭矩应用于大质量恒星的MESA演化模型之中,发现当恒星核在主序星阶段与氦燃烧阶段之间收缩时,它会带走恒星核的大部分角动量。在假设核坍缩时角动量守恒的情况下,我们预测了中子星诞生时的自转周期在50-200毫秒,这可以帮助解释年轻中子星相对更慢的自转,以及为何快自旋驱动超新星如此罕见。
在我们的恒星演化模型中,大部分(>99%)核角动量在氦燃烧阶段丢失了
恒星理论中一个重要的不确定性在于恒星内部的角动量传输机制,这类机制决定了恒星核的自转速率与它形成的黑洞自旋。因此,LIGO根据黑洞合并事件所得到的自旋测量为大质量恒星演化提供了新的约束。我们研究了基于磁Tayler不稳定性的角动量输运,该机制可以很好地解释低质量恒星与白矮星的自旋。通过在大质量恒星模型中加入一种新的角动量传输过程,我们预言由单个恒星演化而来的黑洞将会很慢地旋转,它们的无量纲自旋约为0.01,不论初始自转速率如何。这可以解释目前LIGO观测到的大部分双黑洞系统的低有效χ值。我们为未来的LIGO事件预测了有效χ值,并且讨论了驱动瞬时事件的影响。
对于大部分黑洞合并事件,LIGO通过引力波测量到了低的黑洞自旋,这与我们的模型一致
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