北京
LIGO/Virgo/KAGRA迄今为止发现了近百个高频引力波事例，大部分是由恒星级双黑洞并合过程产生的。这些双黑洞是如何并合的还众说纷纭。活动星系核吸积盘内的双黑洞并合为这些高频引力波源提供了一个独特的动力学渠道。但活动星系核渠道如何促使双黑洞并合，以及其对应的吸积过程还是未解之谜。本文将综述我们近些年基于数值模拟对这些问题的一些探索。
活动星系核吸积盘内的恒星质量双黑洞的并合为LIGO/Virgo/KAGRA探测到的高频引力波源提供了一个独特的动力学渠道。活动星系核吸积盘内的恒星质量黑洞（简称为“卫星黑洞”）可以通过外盘区域的引力不稳定性或通过核区星团的动力学捕获形成。这些黑洞在周围气体的帮助下在经历密近交汇时，可以形成嵌入吸积盘内的双黑洞。嵌入双黑洞周围的致密气体环境可以形成更大质量的并合事例，并可能产生具有可检测的电磁信号。除此之外，活动星系核吸积盘上的并合双黑洞的自旋、偏心率分布等特征也和传统的双黑洞并合过程显著不同。发现的迄今为止最重双黑洞并合事件GW 190521及其潜在的电磁对应体，正是活动星系核渠道的一个有力候选者。这些都促使了活动星系核吸积盘上的双黑洞并合渠道得到了空前广泛的关注。然而，由于涉及复杂的多尺度物理过程，活动星系核吸积盘内双黑洞的动力学演化和吸积过程仍然在很大程度上是个未解之谜。
为了理解这一动力学通道中双黑洞动力学演化和其吸积过程，最好的方式是进行多维流体数值模拟。借鉴原行星盘中行星-盘相互作用的数值模拟经验，我们在理解活动星系核吸积盘内双黑洞的吸积、形成和演化方面取得了显著进展。内嵌的卫星黑洞的吸积受活动星系核吸积盘背景剪切流的角动量供应和嵌入黑洞对活动星系核吸积盘的潮汐力矩的影响。同时，这也可能导致卫星黑洞周围环单星盘的形成。由于背景流的较差旋转和双黑洞潮汐作用的影响，卫星双黑洞的吸积与经典的邦迪（Bondi）吸积显著不同。尽管卫星黑洞的吸积率相比邦迪吸积大大降低，但其仍远远超过自身的爱丁顿吸积率，从而有可能产生可观测的电磁辐射。但是，卫星黑洞的反馈可以进一步抑制这些恒星质量黑洞的吸积率。
吸积盘上双黑洞模拟结果。(a) 全局气体结构，双黑洞公转轨道区域的暗黑色表示低密度区，其他亮色区域表示高密度区域。(b) 图(a)在双黑洞附近的放大图。中间两个亮点表示双黑洞所在位置
准确考虑气体盘对双黑洞演化的动力学影响需要解析卫星双黑洞周围的子盘结构，包括环单星盘结构、环双星盘和附近的旋臂结构。卫星双黑洞周围的子盘结构可以显著改变嵌入双黑洞的动力学演化，在某些条件下甚至可能导致双黑洞轨道随时间扩张。然而，最近的研究也发现，存在一个广泛的参数空间，在该空间内双黑洞可以有效地收缩其轨道。
此外，关于嵌入活动星系核吸积盘内卫星双黑洞的动力学渠道，仍有许多未解之谜。本文介绍了活动星系核吸积盘上卫星黑洞形成、演化和其吸积的最新进展，以及仍然存在的一些问题和将来的发展方向。
本文收录于“超大质量黑洞吸积盘中恒星的形成和演化专题”。
李亚平. 活动星系核吸积盘上恒星级黑洞吸积和动力学演化. 科学通报, 2025, 70(3): 387–397,
https://doi.org/10.1360/TB-2024-0614
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