[論文レビュー] "Circularization" vs. Accretion -- What Powers Tidal Disruption Events?

Tsvi Piran, Gilad Svirski+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 20, 2015

High-Velocity Impact and Material Behavior参考文献 2被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、潮汐破壊現象（TDE）における光学的輝度が、ブラックホールへの降着によるものではなく、潮汐破壊破片の円形化過程におけるエネルギー散逸によって駆動されていると提唱する。数値シミュレーションにより、円形化はブラックホールから約10^15 cmの距離で発生し、そのエネルギー散逸率は約10^44 erg/sに達する。これは、従来の降着モデルと比較して、観測されたTDEの光曲線、温度、半径、および線幅をよりよく説明する。

ABSTRACT

A tidal disruption event (TDE) takes place when a star passes near enough to a massive black hole to be disrupted. About half the star's matter is given elliptical trajectories with large apocenter distances, the other half is unbound. To "circularize", i.e., to form an accretion flow, the bound matter must lose a significant amount of energy, with the actual amount depending on the characteristic scale of the flow measured in units of the black hole's gravitational radius ($\sim 10^{51} (R/1000R_g)^{-1}$~erg). Recent numerical simulations \citep{Shiokawa+2015} have revealed that the circularization scale is close to the scale of the most-bound initial orbits, $\sim 10^3 M_{BH,6.5}^{-2/3} R_g \sim 10^{15} M_{BH,6.5}^{1/3}$~cm from the black hole, and the corresponding circularization energy dissipation rate is $\sim 10^{44} M_{BH,6.5}^{-1/6}$~erg/s. We suggest that the energy liberated during circularization, rather then energy liberated by accretion onto the black hole, powers the observed optical TDE candidates. The observed rise times, luminosities, temperatures, emission radii, and line widths seen in these TDEs \citep[e.g.][]{Arcavi+2014} are all more readily explained in terms of heating associated with circularization than in terms of accretion.

研究の動機と目的

• 観測された光学的TDEと古典的降着ベースのTDEモデルとの間の不一致を解消すること。
• なぜ観測されたTDEが標準的な降着モデルが予測するよりも低い輝度、冷却した温度、およびより大きな発光半径を示すのかを調査すること。
• 潮汐破壊破片の円形化過程におけるエネルギー散逸が、観測された光学的光曲線およびスペクトル的特徴を説明できるかどうかを検証すること。
• ブラックホールへの降着が光学的TDEにおける主要なエネルギー源であるという仮定に挑戦すること。
• 観測された上昇時間、輝度、および運動論的特性を物理的に整合性のある形で説明すること。

提案手法

• 潮汐破壊破片の円形化スケールを特定するために、数値シミュレーション（Shiokawa et al., 2015）を用いる。
• 最も束縛された軌道の特徴的スケール、約10^15 M_{BH,6.5}^{1/3} cmを用いて、円形化過程におけるエネルギー散逸率を計算する。
• 円形化加熱から予測される輝度、温度、発光半径、および線幅を、観測されたTDE特性と比較する。
• 円形化エネルギー散逸率、約10^44 M_{BH,6.5}^{-1/6} erg/sが主要なエネルギー源であると分析する。
• 光子捕獲、超Eddington風、線駆動外流といった代替モデルを評価し、観測結果と整合しないことが判明する。
• 光度の減衰、温度、線幅の広がりといった観測診断手法を用いて、モデルの予測を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ観測された光学的TDEは、標準的な降着モデルが予測するよりも低い輝度と冷却した温度を示すのか？
• RQ2 なぜ光学的TDEにおける推定発光半径が、降着円盤の期待される値よりもはるかに大きい（約10^15 cm）のか？
• RQ3 なぜ観測された線幅（約10,000 km/s）が、R_Tにおける降着円盤が予測するよりもはるかに小さいのか？
• RQ4 潮汐破壊破片の円形化過程におけるエネルギー散逸が、観測された光曲線およびスペクトル的特徴を説明できるか？
• RQ5 超Eddington降着や極端な減光を必要とせずに、観測された光学的TDEのエネルギー収支を説明できるメカニズムは何か？

主な発見

• 潮汐破壊破片の円形化スケールは約10^15 M_{BH,6.5}^{1/3} cmであり、最も束縛された軌道の半径に近く、対応するエネルギー散逸率は約10^44 M_{BH,6.5}^{-1/6} erg/sである。
• 円形化加熱による輝度は、観測された光学的TDEを駆動するのに十分であり、ピーク輝度は約10^43–10^44 erg/sに達し、観測結果と一致する。
• 円形化から得られる効果的温度（約20,000–30,000 K）および発光半径（約10^15 cm）は、観測されたTDE特性と整合する。
• 観測された線幅の広がり（約10,000 km/s）は、円形化スケールの力学的挙動と整合するが、R_Tにおける降着円盤が予測するはるかに広い線幅とは一致しない。
• 標準的な降着モデルは観測データを説明できない：予測される輝度は高すぎ、温度は高すぎ、発光半径は小さすぎる。
• 光子捕獲、超Eddington風、線駆動外流といった代替モデルは、観測された光曲線およびスペクトル的性質との不一致により除外される。