Capture Rates of Compact Objects by Supermassive Black Holes

Capture rates of compact objects were calculated by using a recent solution of the Fokker-Planck equation in energy-space, including two-body resonant effects. The fraction of compact objects (white dwarfs, neutron stars and stellar black holes) was estimated as a function of the luminosity of the galaxy from a new grid of evolutionary models. Stellar mass densities at the influence radius of central supermassive black holes were derived from brightness profiles obtained by Hubble Space Telescope observations. The present study indicates that the capture rates scale as $\propto M_{bh}^{-1.048}$, consequence of the fact that dwarf galaxies have denser central regions than luminous objects. If the mass distribution of supermassive black holes has a lower cutoff at $\sim 1.4\times 10^6$ M$_{\odot}$ (corresponding to the lowest observed supermassive black hole mass, located in M32), then 9 inspiral events are expected to be seen by LISA (7-8 corresponding to white dwarf captures and 1-2 to neutron star and stellar black hole captures) after one year of operation. However, if the mass distribution extends down to $\sim 2\times 10^5$ M$_{\odot}$, then the total number of expected events increases up to 579 (corresponding to $\sim$ 274 stellar black hole captures, $\sim$ 194 neutron star captures and $\sim$ 111 white dwarf captures).Comment: 8 pages, 3 figures; accepted for publication in PR

Croissance et évolution des trous noirs supermassifs (simulations cosmologiques)

La présence de trous noirs supermassifs dans les centres galactiques semble aujourd hui être un fait bien établi et leur masse est bien corrélée avec les propriétés de leurs hôtes. Cette thèse a pour but d apporter des éléments de réponses quant à l origine de ces corrélations, en étudiant de manière couplée la formation et l évolution des galaxies et des trous noirs supermassifs. Dans ce cadre, des simulations cosmologiques ont été réalisées. L évolution des galaxies est incluse via des mécanismes de formation stellaire et de feedback. L évolution des trous noirs suit quant à elle un scénario classique de croissance de semences primordiales de 100 masses solaires par accrétion de matière. Nos simulations indiquent qu une croissance à symétrie sphérique des trous noirs (accrétion de Hoyle-Bondi) n est pas assez efficace pour former des trous noirs très massifs mais qu en revanche, une croissance par l intermédiaire d un disque de gaz visqueux permet la formation de trous noirs de masse atteignant 109 masses solaires. Dans ce cas, les corrélations entre la masse du trou noir et la dispersion de vitesse, la masse stellaire, la luminosité et la masse du halo noir sont bien reproduites. Nos travaux indiquent que ces relations sont fortement affectées par le feedback des supernovae ou des trous noirs eux-mêmes. Les simulations révèlent également que l évolution des corrélations susmentionnées suit un schéma hiérarchique, bien que les observations semblent plutôt suggérer que les trous noirs grossissent plus rapidement que leurs halos hôtes. Enfin, nous nous sommes également intéressés à l étude de l émission d ondes gravitationnelles résultant de la capture d objets compacts par les trous noirs supermassifs ou par la coalescence de trous noirs lors de la fusion de deux galaxies.The presence of supermassive black holes in the centers of galaxies seems to be a well established fact and their masses are correlated with properties of their host galaxies. This thesis aim to bring some answers about the origin of these correlations, studying the coeval evolution of galaxies and supermassive black holes through cosmological simulations. The galaxy evolution is followed according to the star formation history and corresponding feedback mechanisms. Black holes grow from primordial 100 solar masses seeds that accrete matter mainly through a viscous gaseous disk. Our simulations indicate that the spherical accretion (Hoyle-Bondi accretion) is not efficient enough to produce very massive black holes but seeds are able to grow up to masses of 109 solar masses by accreting through a disk. In this case; the different correlations involving the black hole mass and the velocity dispersion, the stellar mass or the host halo mass are well reproduced. Our work indicates that these relations are strongly affected by the feedback either of supernovae or of black holes themselves. The present simulations indicate that the evolution of the aforementioned relations follow a hierarchical pattern, although some observations seem to suggest that seeds grow faster than their host halos. Finally, we have also investigated the emission of gravitational waves resulting from the capture of compact stars by supermassive black holes or by the coalescence of black holes during a merger of two galaxies.NICE-BU Sciences (060882101) / SudocSudocFranceF