Zoom & Whirl: 旋转黑洞周围非圆形赤道轨道及其引力辐射反应下的演化

我们研究了受引力波动反应影响的旋转黑洞周围非圆形赤道轨道。我们采用了已建立的两步方法：假设粒子在测地线上运动（只要轨道演化是准绝热的，这一假设都合理），我们通过 Teukolsky-Sasaki-Nakamura 形式计算数值上辐射到无穷远和黑洞视界的能量和角动量。我们随后推断轨道能量和角动量的变化率，从而确定轨道的演化。轨道完全由半准轴长 $p$ 和偏心率 $e$ 描述。我们发现，在轨道下坠过程中，$e$ 降低直到轨道接近稳定束缚轨道的分离线（由 $p_{s}(e)$ 定义）很短的时间前；在许多天体物理相关情况下，偏心率在下坠的后期仍然显著。在此外，当达到临界值 $p_{crit}(e)$ 时，偏心率会因持续的辐射诱导下坠而开始增加。两个值 $p_{s}$, $p_{crit}$（给定 $e$ 时）随着黑洞自转增大而在坐标意义上彼此靠近；对于固定自转和增加偏心率，两者也如此。特别值得注意的是围绕快速旋转黑洞的中等和高偏心率轨道，$p(e) \approx p_{s}(e)$。我们称这些为“zoom-whirl”轨道，因为它们涉及在近近点附近围绕中心天体的多个旋转。计算出的引力波形并显示其具有非常特殊的特征。此类信号可能对未来的 LISA 探测器具有重要的天体物理意义。