German Title: Interaktion einfallender Gaswolken mit Paaren superschwerer schwarzer Löcher

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Abstract

There is compelling evidence that most -if not all- galaxies harbour a supermassive black hole at their nucleus, hence binaries of these massive objects are an inevitable product of the hierarchical evolution of structures in the universe, and represent an important but thus-far elusive piece of the galaxy formation puzzle.

Gas accretion is thought to be important for the dynamical evolution of supermassive black hole binaries (SMBHBs), as well as in producing luminous emission that can be used to infer their properties, although the mechanisms that drive material to the galactic nuclei are poorly constrained. One plausible source of the gaseous fuel is cold clumps of gas formed due to turbulence and gravitational instabilities in the interstellar medium that later fall towards and interact with the binary. In this context, I present a suite of smoothed-particle-hydrodynamical models to study the evolution of turbulent gas clouds as they infall towards equal-mass, circular SMBHBs.

I use a set of high-resolution simulations of separate clouds infalling onto binaries to study the formation of gaseous structures and their dynamics, as well as the feeding rate onto the SMBHB, depending on different orbital configurations. I show that some of the variabilities can have implications in the observability of these systems.

Additionally, exploiting similar single cloud models, I study the dynamical evolution of the binary orbit during the interaction with different clouds and show that it is dominated by the exchange of angular momentum through gas capture and accretion. Building on these results, I construct a simple model for the long-term evolution of a SMBHB interacting with several incoming clouds, which are randomly drawn from reasonable populations with different levels of anisotropy. In this scenario, the binary evolves down to the gravitational emission regime within a few hundred million years.

I finally extend the simulations to a binary interacting with a sequence of incoherent clouds to investigate the secular effects of the left-over gas on the SMBHB orbital evolution, previously unresolved with the single cloud models. After a sequence of ten events, I observe that these secular effects further increase the efficiency of the incoherent clouds with respect to a scenario that only considers the prompt accretion phase.

All these results suggest that sub-parsec SMBHBs embedded in gas-rich and turbulent environments efficiently evolve towards coalescence during the interaction with individual gas pockets, providing a possible solution to the "final parsec problem".

Translation of abstract (German)

Es gibt überzeugende Hinweise dafür, dass die meisten -wenn nicht alle- Galaxien superschwere schwarze Löcher in ihren Zentren beherbergen. Binärsysteme dieser massiven Objekte sind folglich ein unvermeidbares Produkt der hierarchischen Strukturentstehung im Universum und stellen einen wichtigen und bis heute wenig verstandenen Teil der Galaxieentstehung dar.

Gas-Akkretion wird als wichtiger Einflussfaktor sowohl auf die Dynamik als auch auf die Emission elektromagnetischer Strahlung von Paaren superschwerer schwarzer Löcher angesehen, wenngleich über die Interaktionsmechanismen zwischen Gas und den schwarzen Löchern wenig bekannt ist. Eine mögliche Quelle für einfallendes Material sind kalte Gasklumpen, welche durch Turbulenz im interstellaren Medium und gravitative Instabilitäten gebildet wurden und sich später dem Binärsystem nähern und mit ihm interagieren. In diesem Zusammenhang stelle ich eine Reihe teilchenbasierter Hydrodynamik-Simulationen vor, mit welchen ich die Entwicklung turbulenter Gaswolken erforsche, die auf ein Paar superschwerer schwarzer Löcher gleicher Masse auf kreisförmigen Umlaufbahnen treffen.

Ich verwende hochaufgelöste Simulationen einzelner einfallender Wolken, um die Entstehung und Dynamik von Gasstrukturen und das Wachstum der superschweren schwarzen Löcher durch Gasakkretion sowie dessen Abhängigkeit von verschiedenen Bahnkonfigurationen des einfallenden Gases zu untersuchen. Ich zeige, dass einige dieser Variationen die Beobachtbarkeit dieser Systeme beeinflussen.

Zusätzlich, unter Benutzung der Ergebnisse der Simulationen einzelner Wolken, untersuche ich die Dynamik des Binärsystems durch die Interaktion mit mehreren Wolken und zeige, dass dieser Prozess dominiert ist durch das Einfangen von Gas und der damit einhergehenden Änderung des Drehimpulses in der frühen Phase des Zusammentreffens von Gas und Binärsystem. Auf diesen Resultaten aufbauend entwickle ich ein einfaches Modell, welches die Entwicklung von Paaren von superschweren schwarzen Löchern und deren Interaktion mit einigen einfallenden Gaswolken, welche zufällig aus einer Verteilung realistischer Bahnen mit verschiedener Anisotropie ausgewählt werden, beschreibt. In diesem Modell verengt sich die Bahn des Binärsystems bis hin zum Regime der von Gravitationswellen dominierten Emission innerhalb weniger hundert Millionen Jahren.

Zuletzt verallgemeinere ich die Simulationen auf Binärsysteme, welche mit einer Reihe inkohärenter Wolken interagieren, um den Effekt des übrig gebliebenen Gases auf die Entwicklung der Bahnen der Binärsysteme zu untersuchen, einem Effekt der nicht von den Modellen einzelner Wolken erfasst wurde. Nach zehn Ereignissen verstärken säkulare Effekte die Effizienz des Wolkeneinfalls verglichen mit einer einzelnen Akkretionsphase.

All diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass Paare superschwerer schwarzer Löcher, welche weniger als parsec Skalen von einander entfernt sind und sich in einer Gas-reichen und turbulenten Umgebung befinden, sich durch die Interaktion mit Gaswolken sehr effizient nähern und letztendlich verschmelzen. Dieses Szenario stellt eine mögliche Lösung des "letzten Parsec Problems" dar.