Multi-band light curves from eccentric accreting supermassive black hole binaries

Westernacher-Schneider, John Ryan; Zrake, Jonathan; MacFadyen, Andrew; Haiman, Zoltán

doi:10.48550/arxiv.2111.06882

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“…where Ω b is the binaryʼs orbital frequency). The choice of t sink does not significantly alter the results for circular orbits (Moody et al 2019;Westernacher-Schneider et al 2021;J. Zrake et al 2022, in preparation), but for robustness we include a brief exploration of the slow-sink limit with t b sink 1 = W in Section 3.2.…”

Section: Simulation Setupmentioning

confidence: 99%

How Binaries Accrete: Hydrodynamic Simulations with Passive Tracer Particles

Tiede

Zrake

MacFadyen

et al. 2022

ApJ

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Linear analysis of gas flows around orbiting binaries suggests that a centrifugal barrier ought to clear a low-density cavity around the binary and inhibit mass transfer onto it. Modern hydrodynamics simulations have confirmed the low-density cavity, but show that any mass flowing from large scales into the circumbinary disk is eventually transferred onto the binary components. Even though many numerical studies confirm this picture, it is still not understood precisely how gas parcels overcome the centrifugal barrier and ultimately accrete. We present a detailed analysis of the binary accretion process, using an accurate prescription for evolving grid-based hydrodynamics with Lagrangian tracer particles that track the trajectories of individual gas parcels. We find that binary accretion can be described in four phases: (1) gas is viscously transported through the circumbinary disk up to the centrifugal barrier at the cavity wall, (2) the cavity wall is tidally distorted into accretion streams consisting of near-ballistic gas parcels on eccentric orbits, (3) the portion of each stream moving inwards of an accretion horizon radius r ¯ ≃ a —the radius beyond which no material is returned to the cavity wall—becomes bound to a minidisk orbiting an individual binary component, and (4) the minidisk gas accretes onto the binary component through the combined effect of viscous and tidal stresses.

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Section: Simulation Setupmentioning

confidence: 99%

How Binaries Accrete: Hydrodynamic Simulations with Passive Tracer Particles

Tiede

Zrake

MacFadyen

et al. 2022

ApJ

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show abstract

“…The more chaotic nature of the accretion shown in Figure 10 at high Mach numbers is visible in the periodograms, as peaks become scattered and more broad. It has been recently suggested, based on analysis of light curves in non-isothermal circumbinary disc simulations, that the chaotic nature of the accretion rate at realistically high Mach numbers for binary SMBHs may drown out any periodicity other than Doppler modulation (Westernacher-Schneider et al 2021).…”

Section: Variabilitymentioning

confidence: 99%

A Survey of Disc Thickness and Viscosity in Circumbinary Accretion: Binary Evolution, Variability, and Disc Morphology

Dittmann,

Ryan

2022

Preprint

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Much of the parameter space relevant to the evolution of astrophysical circumbinary accretion discs remains unexplored. We have carried out a suite of circumbinary disc simulations surveying both disc thickness and kinematic viscosity, using both constant-𝜈 and constant-𝛼 prescriptions. We focus primarily on disc aspect ratios between 0.1 and 0.033, and on viscosities between 𝜈 = 0.0005 and 𝜈 = 0.008 (in units of binary semi-major axis and orbital frequency), and specialise to circular equal-mass binaries. Both factors strongly influence the evolution of the binary semi-major axis: at 𝜈 = 0.0005, inspirals occur at aspect ratios 0.059, while at 𝜈 = 0.004 inspirals occur only at aspect ratios 0.04. Inspirals occur largely because of the increasingly strong negative torque on the binary by streams of material which lag the binary, with negligible contributions from resonant torques excited in the circumbinary disc. We find that reductions in accretion rate occur when simulations are initialised too far from the eventual quasi-steady state driven by interaction with the binary, rather than being intrinsically linked to the disc aspect ratio. We find not only that the cavity size increases as viscosity is decreased, but that thinner circumbinary discs become more eccentric. Our results suggest that supermassive black hole binaries should be driven, more rapidly than previous estimates, from ∼parsec separations to distances where gravitational waves drive their inspiral, potentially reducing the number of binaries observable by pulsar timing arrays.

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“…Los intentos anteriores de modelar observables electromagnéticos de SMBHB se han basado en simulaciones Newtonianas viscosas 2-D (Farris et al, 2015a,b;Tang et al, 2018;Westernacher-Schneider et al, 2021), simulaciones GRHD en 2-D sin viscosidad de minidiscos aislados en un espaciotiempo de Kerr, es decir, sin la perturbación gravitatoria causada por el agujero negro compañero (Ryan & MacFadyen, 2017) y simulaciones GRMHD en 3-D (d'Ascoli et al, 2018).…”

Section: Comparación Con Trabajos Previosunclassified

“…En nuestras simulaciones, la temperatura efectiva está directamente relacionada con la tasa de disipación real (por choques y turbulencia). Téngase en cuenta que Westernacher-Schneider et al (2021) se esfuerzan por dar cuenta de este efecto, aunque suponen una tasa de acreción muy alta, 10 ṀEdd .…”

Section: Comparación Con Trabajos Previosunclassified

Radiación de agujeros negros acretantes: problemas micro- y macrofísicos

Gutiérrez¹

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Los agujeros negros acretantes son los componentes centrales de una amplia variedad de sistemas astrofísicos como binarias de rayos X, núcleos galácticos activos y erupciones de rayos gamma, entre otros. El estudio de estos sistemas conlleva el análisis teórico y observacional de su emisión electromagnética, así como también de la emisión de otras partículas mensajeras como rayos cósmicos, neutrinos, u ondas gravitacionales. Esta tesis se centra en el estudio teórico de algunos de los problemas abiertos asociados a la radiación de agujeros negros acretantes. Estos problemas pueden dividirse en dos tipos: problemas microfísicos y problemas macrofísicos. Uno de los problemas abiertos de característica microfísica más importantes es el de la ocurrencia o no de procesos no térmicos en el flujo de acreción que alimenta al agujero negro. En particular, en los llamados flujos de acreción calientes, tanto leptones como hadrones pueden ser acelerados por diversos mecanismos y formar una distribución de tipo ley de potencia. La presencia de este tipo de poblaciones da lugar a una fenomenología muy distinta a la esperable por un flujo de acreción puramente térmico. Para estudiar la relevancia de los procesos no térmicos, desarrollamos un modelo autoconsistente que trata los aspectos hidrodinámicos del flujo, la radiación térmica, la evolución de partículas aceleradas a distribuciones no térmicas y de las partículas secundarias creadas, sus interacciones de altas energías y la radiación asociada. Aplicamos el modelo a núcleos galácticos activos de distintas luminosidades con el fin de realizar predicciones sobre los efectos de las partículas no térmicas en cada uno de estos escenarios. Luego, extendemos el modelo para incluir el tratamiento de procesos no térmicos transitorios, y así explicamos la ocurrencia de fulguraciones extremas como las que se observan en el agujero negro acretante en el centro de nuestra galaxia, Sagittarius A*. Por otro lado, investigamos el problema de cómo los jets relativistas lanzados por agujeros negros adquieren materia en las regiones cercanas a su base. En particular, cuantificamos el efecto que tiene la radiación del flujo de acreción sobre el jet a través del siguiente mecanismo: las partículas neutras (fotones y neutrones) producidas en el flujo pueden escapar del mismo e inyectar protones y electrones en el jet. Por último, investigamos el efecto que tiene la radiación de los flujos de acreción calientes en la producción de rayos cósmicos en la cercanía de agujeros negros acretantes de baja luminosidad. Un problema macrofísico de suma importancia es el entendimiento de las propiedades de la emisión de sistemas binarios de agujeros negros supermasivos acretantes. Estos sistemas son potenciales fuentes multimensajero de ondas gravitacionales y ondas electromagnéticas, y posiblemente también de otras partículas. Los flujos de acreción en sistemas binarios de agujeros negros presentan diferencias fundamentales con aquellos que se dan en agujeros negros simples; comprender con precisión estas diferencias es fundamental para lograr identificarlos observacionalmente y así poder predecir con antelación futuras fusiones de agujeros negros supermasivos. Con este objetivo, realizamos simulaciones de trazado de rayos ("ray-tracing") sobre datos de simulaciones magnetohidrodinámicas en Relatividad General de sistemas binarios de agujeros negros en la fase previa a la fusión. Calculamos espectros y curvas de luz para casos con agujeros negros rotantes y no rotantes y analizamos sus diferencias. Mostramos además que los procesos cuasi-periódicos que ocurren en el sistema de acreción trasladan su periodicidad al espectro a distintas frecuencias. Asimismo, los efectos relativistas asociados al rápido movimiento de los agujeros negros orbitantes y a la estructura espaciotemporal dinámica infringen variabilidades adicionales, e incluso dan lugar a fuertes fulguraciones periódicas. En la misma línea de trabajo, investigamos las posibles interacciones entre los \jets lanzados por ambos agujeros negros. Proponemos que tales interacciones dan lugar a fulguraciones periódicas en distintas bandas del espectro electromagnético. Para estudiar este fenómeno, desarrollamos un modelo semi-analítico, informado por los resultados más robustos de simulaciones numéricas, y estudiamos el espacio de parámetros del modelo para cuantificar la intensidad, las características espectrales y la potencial detectabilidad de estas fulguraciones.

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Multi-band light curves from eccentric accreting supermassive black hole binaries

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How Binaries Accrete: Hydrodynamic Simulations with Passive Tracer Particles

How Binaries Accrete: Hydrodynamic Simulations with Passive Tracer Particles

A Survey of Disc Thickness and Viscosity in Circumbinary Accretion: Binary Evolution, Variability, and Disc Morphology

Radiación de agujeros negros acretantes: problemas micro- y macrofísicos

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