[論文レビュー] Observable gravitational waves from tidal disruption events and their electromagnetic counterpart

Toscani, M., Lodato, G.|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 90被引用数 20

ひとこと要約

本論文は、将来の重力波（GW）検出器、特にLISAおよび次世代ミッション（Decigoなど）を用いた潮汐破壊現象（TDE）の検出可能性を推定している。GW放射と星族の出現率の半解析的モデルを用い、LISAはブラックホールが質量が大きな星（m★,max ≳60 M⊙）を有する若い星族に埋め込まれている場合を除き、TDEを検出する可能性は極めて低いと判明した。その場合でも、最大で数10件程度の検出が可能である。次世代検出器では、年間数千件のTDEが検出可能となり、ブラックホール質量や星環境の集団的特徴の研究が可能になる。また、電磁波対応物はX線または可視光帯域で観測可能であると予想される。

ABSTRACT

We estimate the rate of tidal disruption events (TDEs) that will be detectable with future gravitational wave detectors as well as the most probable properties of these events and their possible electromagnetic counterpart. To this purpose we combine standard gravitational waves and electromagnetic results with detailed rates estimates. We find that the \emph{Laser Interferometer Space Antenna} (LISA) should not detect any TDEs, unless black holes (BHs) are typically embedded by a young stellar population which, in this situation, could lead up to few 10 events during the duration of the mission. If there are gravitational wave observations, these events should also be observable in the X-ray or the optical/UV part of the electromagnetic spectrum, which may open up the multi-messenger era for TDEs. The generation of detectors following LISA will at least yearly observe $10^4$ TDEs at cosmological distances, allowing to do population studies and constrain the black hole mass function. In all cases, most probable events should be around black holes with a mass such that the Keplerian frequency at the Schwarzschild radius is similar to the optimal frequency of the detector and with a large penetration factor.

研究の動機と目的

• 将来の重力波検出器（LISAやDecigoなど）による潮汐破壊現象（TDE）の検出率を推定すること。
• 将来のGW検出器で検出可能なTDEの最も確実な物理的性質（ブラックホール質量、星の質量、浸食因子）を特定すること。
• 検出可能なGWイベントが、X線または可視光/紫外線帯域で観測可能な電磁波対応物を有するかどうかを評価すること。
• LISAによる非検出または検出が、ブラックホール周囲の星族の年齢にどのような制約をもたらすかを検討すること。
• 将来の多メッセンジャー観測（GWとEMの統合）を解釈するためのフレームワークを提供すること。

提案手法

• 本研究では、星-ブラックホール系の質量、半径、軌道パラメータに基づき、重力波の歪みと周波数を半解析的に計算するモデルを用いた。
• 相対論的およびニュートン近似を用いて、特徴的な歪み（ℎGW）と観測周波数（𝑓obs）を導出し、ΛCDM宇宙論における赤方偏移と共動距離（χ(z)）を組み込んだ。
• 星が直接捕獲されないよう、浸食因子β = rT/rp（β ≤ βmax = rT/(2rSch)）を導入し、Kroupa型の星質量関数を用い、高質量端の外挿を含めた。
• TDEの出現率は、GW検出閾値（S/Nlim）と銀河全体の星およびブラックホール質量関数を組み合わせ、Davidzon+17およびReines+15の実測ブラックホール質量関数を用いて算出された。
• 電磁波の検出可能性は、標準的なTDEの放射度モデルに基づき仮定され、非直接的降着イベントではX線および可視光/紫外線のフレアが予想された。
• パラメータのモンテカルロ的サンプリングを実施し、異なる検出器および星族モデルにおける観測可能出現率を計算した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LISAは、星と恒星質量ブラックホールまたは超大質量ブラックホールを伴う潮汐破壊現象からの重力波を検出可能か？
• RQ2 将来のGW検出器で検出可能なTDEの最も確実な物理的パラメータ（BH質量、星の質量、浸食因子）は何か？
• RQ3 GWで検出可能なTDEイベントは、X線または可視光/紫外線帯域で観測可能な電磁波対応物を有する可能性が高いか？
• RQ4 LISAによる非検出または検出は、ブラックホール周囲の星族の年齢および質量分布にどのような制約をもたらすか？
• RQ5 次世代GW検出器（Decigo、ALIA、BBOなど）によるTDEの予想検出率は、宇宙論的赤方偏移の範囲でどの程度か？

主な発見

• LISAは、ブラックホールが質量が大きな星（m★,max ≳60 M⊙）を有する若い星族に埋め込まれている場合を除き、TDEを検出する可能性は極めて低い。その場合でも、4年間のミッション期間中に最大で数10件の検出が可能である。
• このような若い星族の場合、LISAで検出可能なTDEの最大赤方偏移はzmax ≈ 0.1であり、特徴的な歪み閾値はℎGW ≈ 10−22に相当する。
• 次世代検出器（例：Decigo）では、宇宙論的距離で年間10^4〜10^6件のTDEが検出可能と予想され、ブラックホール質量関数の詳細な研究が可能になる。
• どのGW検出器でも検出可能なTDEの最も確実なものは、臨界半径におけるケプラー周波数（κ×rSch）が検出器の最適周波数と一致するブラックホール質量を有するものである。
• LISAまたはDecigoでGWで検出可能なすべてのTDEは、X線または可視光/紫外線帯域で明るい電磁波対応物を有すると予想され、多メッセンジャー追跡観測が可能になる。
• 単一質量の星族では、Kroupa型初期質量関数と比較してTDE出現率が約5倍低くなることが判明し、出現率推定において星の質量分布の重要性が強調された。