[論文レビュー] Hydrodynamics of Collisions and Close Encounters between Stellar Black Holes and Main-sequence Stars

Kyle Kremer, James C. Lombardi+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 28, 2022

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 117被引用数 43

ひとこと要約

本研究では、スムージング・パーティクル・ハイドロダイナミクス（SPH）シミュレーションを用いて、星質量ブラックホールと主系列星の間の接近接近を、広範な遭遇パラメータの範囲でモデル化する。主な結果として、完全破壊、非束縛のデブリを伴う部分的破壊、繰り返しの近点通過を伴う潮汐捕獲の3つの主要な結果が特定され、これらが密度の高いクラスタで同程度の割合で発生することを示し、電磁的トランスジェントおよびブラックホール質量成長に影響を及ぼす。

ABSTRACT

Recent analyses have shown that close encounters between stars and stellar black holes occur frequently in dense star clusters. Depending upon the distance at closest approach, these interactions can lead to dissipating encounters such as tidal captures and disruptions, or direct physical collisions, all of which may be accompanied by bright electromagnetic transients. In this study, we perform a wide range of hydrodynamic simulations of close encounters between black holes and main-sequence stars that collectively cover the parameter space of interest, and we identify and classify the various possible outcomes. In the case of nearly head-on collisions, the star is completely disrupted with roughly half of the stellar material becoming bound to the black hole. For more distant encounters near the classical tidal-disruption radius, the star is only partially disrupted on the first pericenter passage. Depending upon the interaction details, the partially disrupted stellar remnant may be tidally captured by the black hole or become unbound (in some cases, receiving a sufficiently large impulsive kick from asymmetric mass loss to be ejected from its host cluster). In the former case, the star will undergo additional pericenter passages before ultimately being disrupted fully. Based on the properties of the material bound to the black hole at the end of our simulations (in particular, the total bound mass and angular momentum), we comment upon the expected accretion process and associated electromagnetic signatures that are likely to result.

研究の動機と目的

• 星質量ブラックホールと主系列星の間の接近遭遇における流体力学的結果を、関連するパラメータ空間全域で体系的にマップすること。
• 異なる遭遇タイプにおける、ブラックホールに束縛される星の物質の割合およびその角運動量分布を定量化すること。
• これらの相互作用に伴う電磁的トランスジェントのシグネチャを評価すること、特にベルラ・ルビン宇宙望遠鏡のような光学およびX線望遠鏡の文脈で。
• 特に密度の高い星団環境において、破壊された星の物質の降着によるブラックホール質量成長の可能性を評価すること。
• 星団のN体シミュレーションにTDEおよび衝突の物理を組み込むための基盤を提供すること、今後のフィードバックおよび降着効果を含めて。

提案手法

• StarSmasherコードを用いて、スムージング・パーティクル・ハイドロダイナミクス（SPH）シミュレーションの包括的セットを実施し、ブラックホール–主系列星の相互作用をモデル化する。
• 主なパラメータを変化させる：ブラックホール質量（10–30 M⊙）、星の質量（0.5–20 M⊙）、多圧指数（星の構造を表現するため）、および近点距離（正面衝突から遠距離の遭遇まで）。
• 衝突パラメータの全範囲にわたる遭遇をシミュレートする。衝突から、古典的潮汐破壊半径付近での潮汐破壊までをカバーする。
• 系の最終状態を分析し、束縛質量、角運動量、およびデブリの噴出率を特定する。
• 標準的粘性ディスクモデルおよびEddington限界降着物理に基づいて、降着 timescale と放射度を推定する。
• シミュレーション統計と星団のN体シミュレーションの予測を比較し、異なる結果の発生率を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 星質量ブラックホールと主系列星の接近遭遇における主な流体力学的結果（完全破壊、部分的破壊、潮汐捕獲、衝突）は何か？
• RQ2 どの程度の星の物質がブラックホールに束縛され、その束縛デブリの角運動量および質量分布はどのようなものか？
• RQ3 これらのイベントに伴う予想される電磁的トランスジェントのシグネチャ（特にX線および光学/UV帯域）は何か？
• RQ4 現実の星団環境において、完全破壊、非束縛の残骸を伴う部分的破壊、および潮汐捕獲の発生率はどのように比較されるか？
• RQ5 降着フィードバックがデブリを解体する程度はどの程度で、観測されたトランスジェントの放射度および持続時間にどのように影響するか？

主な発見

• ほぼ正面衝突では、星が完全に破壊され、星の物質のおよそ半分がブラックホールに束縛される。
• 古典的潮汐破壊半径付近の遭遇では、最初の近点通過で星は部分的に破壊され、残骸は非束縛または潮汐的に捕獲される。
• 潮汐的に捕獲された残骸は、完全破壊に至るまでに複数回の近点通過を経験し、数日から数年のスケールで繰り返し降着フレアを引き起こす可能性がある。
• 低質量星では、全束縛質量が0.05から0.5 M⊙の範囲にあり、標準的な降着仮定のもとでX線バンドでのピーク放射度は約10^44 erg/sに達する。
• 降着エネルギーの顕著な割合が、降着物理に依存してディスク・ウィンズを通じて明るい光学/UVトランスジェントに再処理される可能性がある。
• 局所宇宙において、完全破壊、非束縛のデブリを伴う部分的破壊、および潮汐捕獲の相対的発生率は、わずかな要因の範囲内で同程度に予測される。