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Effects of Minor Mergers on Coalescence of a Supermassive Black Hole Binary

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English Summary

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This paper studies the possibility of resolving loss cone depletion problems through minor mergers by performing numerical simulations using a highly accurate N-body code. The study shows that minor mergers can disturb stellar orbits in galactic central regions, supplying stars into the loss cone and accelerating shrinkage of supermassive black hole (SMBH) binaries. Our results suggest that minor mergers are an important process to reduce coalescence times for SMBHs much less than Hubble time.

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Key Technical Terms

Below are key technical terms and their explanations to help understand the core concepts of this paper. You can explore related external resources via the links next to each term.

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PASJ: Publ. Astron. Soc. Japan , 1–??, ⟨publication date⟩ c⃝2018. Astronomical Society of Japan. Effects of Minor Mergers on Coalescence of a Supermassive Black Hole Binary Hidenori MATSUI Division of Theoretical Astronomy, National Astoronomical Observatory of Japan, 2–21–1 Osawa, Mitaka-shi, Tokyo 181–8588 hidenori.matsui@nao.ac.jp and Asao HABE Division of Physics, Graduate School of Science, Hokkaido University, Sapporo 060, Japan habe@astro1.sci.hokudai.ac.jp (Received ⟨2008 October 2⟩; accepted ⟨2008 December 17⟩)2008 Abstract We study the possibility that minor mergers resolve the loss cone depletion problem, which is the difficultyDec occured in the coalescence process of the supermassive black hole (SMBH) binary, by performing numerical simu- lations with a highly accurate N-body code. We show that the minor merger of a dwarf galaxy disturbs stellar orbits 25 in the galactic central region of the host galaxy where the loss cone depletion is already caused by the SMBH binary. The disturbed stars are supplied into the loss cone. Stars of the dwarf galaxy are also supplied into the loss cone. The gravitational interactions between the SMBH binary and these stars become very effective. The gravitational interaction decreases the binding energy of the SMBH binary effectively. As a result, the shrink of the separation of the SMBH binary is accelerated. Our numerical results strongly suggest that the minor mergers are one of the important processes to reduce the coalescence time of the SMBH binary much less than the Hubble time. Key words: black hole physics — gravitational waves — methods: n-body simulations — galaxies: nuclei[astro-ph] 1. Introduction larger than the Hubble time. This difficulty in the coalescence process of SMBHs is called the ”loss cone depletion problem”. It is well known that the merging of galaxies with cen- To resolve the loss cone depletion problem, several ideas tral supermassive black holes (SMBHs) is an important pro- to…

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한글 요약 (Korean Summary)

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이 논문은 매우 정확한 N- 바디 코드를 사용하여 수치 시뮬레이션을 수행하여 사소한 합병을 통해 손실 원뿔 고갈 문제를 해결할 수있는 가능성을 연구합니다. 이 연구는 미성년 합병이 은하 중앙 영역에서 항성 궤도를 방해 할 수 있으며, 상실 원뿔에 별을 공급하고 초대형 블랙홀 (SMBH) 바이너리의 수축을 가속화 할 수 있음을 보여줍니다. 우리의 결과 사소한 합병은 허블 시간보다 훨씬 적은 SMBH의 유착 시간을 줄이는 중요한 과정임을 시사합니다.

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주요 기술 용어 (한글 설명)

  • Supermassive Black Holes (SMBH)
    설명 (Korean): * 블랙홀 물리학* – 중력파는 블랙홀에 의해 방출 될 수 있으며 특정 조건에서 이진 시스템의 수축을 가속화 할 수 있습니다.
    (Original English: *Black hole physics* – gravitational waves can be emitted by black holes, accelerating shrinkage of binary systems under certain conditions.)
  • Loss cone depletion problem
    설명 (Korean): * 유착 과정에서 발생한 Dec* – 별 및 기타 요인의 동적 마찰로 인해 은하 중앙 영역 내에서 SMBH가 수축하는 데 어려움이 있습니다. 사소한 합병은 별의 궤도를 방해하고 별을 손실 원뿔에 공급하며 특정 조건 하에서 이진 시스템의 빠른 수축을 유발 하여이 문제를 해결할 수 있습니다.
    (Original English: *Dec occured in the coalescence process* – refers to difficulty in shrinking SMBHs within galactic central regions due to dynamical friction from stars and other factors. Minor mergers can resolve this issue by disturbing stellar orbits, supplying stars into loss cone, and triggering rapid shrinkage of binary systems under certain conditions.)
  • N-body simulations
    설명 (Korean): *방법 : N -BODY 시뮬레이션 – *§ 숫자 수치 시뮬레이션 *작은 합병으로 인해 은하 중앙 영역에 대한 연구 효과를 수행하기 위해 수행됩니다. 이 논문에서 구체적으로 호스트 은하 및 난쟁이 은하 내에서 SMBH를 연구하기 위해 사용된다.
    (Original English: *Methods: n-body simulations – *§accurate numerical simulations* performed to study effects on galactic central regions due to minor mergers; specifically used in this paper for studying SMBHs within host galaxy and dwarf galaxies.)

발췌문 한글 번역 (Korean Translation of Excerpt)

PASJ : Publ. ASTRON. 사회 일본, 1 – ??, 공개 날짜⟩ C⃝2018. 일본 천문학 사회. 초대형 블랙홀 바이너리 히데노리 마츠이 이론 천문학, 일본의 국가 석문 전망대, 2–21–1 오사와, 도쿄, 도쿄 181–8588 히데노리. Sapporo 060, Japan habe@astro1.sci.hokudai.ac.jp (수신 된 ⟨2008 년 10 월 2 일; 허용 된 ⟨2008 12 월 17 일) 2008 년 초록 우리는 사소한 합병이 손실 콘 낙상 문제를 해결할 가능성을 연구합니다. 매우 정확한 N- 바디 코드가있는 라이트. 우리는 드워프 은하의 사소한 합병이 호스트 은하의 은하 중심 영역에서 25의 스텔라 궤도를 방해한다는 것을 보여줍니다. 방해받은 별은 손실 원뿔에 공급됩니다. 난쟁이 은하의 별들도 손실 원뿔에 공급됩니다. SMBH 바이너리 와이 별 사이의 중력 상호 작용은 매우 효과적입니다. 중력 상호 작용은 SMBH 이진의 결합 에너지를 효과적으로 감소시킨다. 결과적으로, SMBH 이진의 분리의 수축이 가속화된다. 우리의 수치 결과는 작은 합병이 허블 시간보다 훨씬 적은 SMBH 이진의 유착 시간을 줄이기위한 중요한 과정 중 하나임을 강력하게 시사합니다. 키워드 : 블랙홀 물리학-중력파-방법 : N-BODY 시뮬레이션-은하 : 핵 [Astro-PH] 1. 소개 허블 시간보다 큽니다. SMBHS의 유착 과정 에서이 어려움을 “손실 원뿔 고갈 문제”라고합니다. 손실 원뿔 고갈 문제를 해결하기 위해 은하와 은하를 합병하는 것이 여러 가지 아이디어 Tral Supermassive Black Holes (SMBHS)가 중요합니다.

Source: arXiv.org (or the original source of the paper)

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