[論文レビュー] Partial, zombie, and full tidal disruption of stars by supermassive black holes

C. J. Nixon, Eric R. Coughlin+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 9, 2021

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 124被引用数 43

ひとこと要約

本研究では、現実的な星構造を有する星を用いた長期間にわたる流体力学的シミュレーションを実施し、完全破壊では後方流入率のべき乗指数が n∞ ≃ −5/3 に漸近すること、部分的破壊では n∞ ≃ −9/4 に達することを明らかにした。臨界近点付近の破壊では、わずかに正のエネルギーを持つ「ゾンビコア」としての再収縮が起こり、後方流入指数が約100年間にわたり −9/4 から −5/3 に変化する。これは、TDEにおける自己重力および長期的進化の重要性を示している。

ABSTRACT

We present long-duration numerical simulations of the tidal disruption of stars modelled with accurate stellar structures and spanning a range of pericentre distances, corresponding to cases where the stars are partially and completely disrupted. We substantiate the prediction that the late-time power-law index of the fallback rate $n_{\infty} \simeq -5/3$ for full disruptions, while for partial disruptions---in which the central part of the star survives the tidal encounter intact---we show that $n_{\infty} \simeq -9/4$. For the subset of simulations where the pericenter distance is close to that which delineates full from partial disruption, we find that a stellar core can reform after the star has been completely destroyed; for these events the energy of the zombie core is slightly positive, which results in late-time evolution from $n \simeq -9/4$ to $n \simeq -5/3$. We find that self-gravity can generate an $n(t)$ that deviates from $n_{\infty}$ by a small but significant amount for several years post-disruption. In one specific case with the stellar pericenter near the critical value, we find self-gravity also drives the re-collapse of the central regions of the debris stream into a collection of several cores while the rest of the stream remains relatively smooth. We also show that it is possible for the surviving stellar core in a partial disruption to acquire a circumstellar disc that is shed from the rapidly rotating core. Finally, we provide a novel analytical fitting function for the fallback rates that may also be useful in a range of contexts beyond TDEs.

研究の動機と目的

• 正確な星構造を用いたTDEにおける後段階的後方流入率の進化を調査すること。
• 自己重力および星構造が後方流入率のべき乗指数に与える影響を特定すること。
• 臨界破壊距離に近いTDEにおいて、星が完全に破壊されても破壊破片が再収縮して「ゾンビコア」として束縛コアを形成するプロセスの形成と進化を調査すること。
• 部分的TDEにおける生存星コアの周囲に円盤が形成される可能性を検討し、その起源と持続性を調査すること。
• TDEを越えて適用可能な、TDE後方流入率を記述する新しい解析的フィッティング関数の開発

提案手法

• MESA星進化コードから得た正確な星プロファイルを用いた、3次元流体力学的シミュレーションをSPHコードSPHINXを用いて実施。
• 1M⊙ ZAMS、1M⊙ MAMS、0.3M⊙ MAMS の星を、さまざまな近点距離（β ≈ 1.0–3.0）を持つ放物線軌道でTDEを再現。
• 方程式(2)に示す新しい解析的フィッティング関数を用い、少数のパラメータで後方流入率をモデル化し、シミュレーションデータとの強固な比較を可能にした。
• 100年以上にわたる時間スケールで後方流入率およびその瞬時のべき乗指数 n(t) を追跡し、後段階的進化を捉えた。
• 自己重力が臨界破壊閾値に近い領域で、破壊破片が1つまたは複数のコアに再収縮するプロセスを駆動する役割を分析。
• ブラックホールに対する生存コアのエネルギーを定量的に評価し、その長期的軌道的運命と後方流入進化を評価

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 完全破壊と部分的破壊の両方において、後段階的後方流入率のべき乗指数は何か？
• RQ2 完全に破壊された星の破壊破片が、近点距離が臨界破壊距離に近い場合に、束縛コア（「ゾンビコア」）として再収縮できるか？
• RQ3 特に破壊閾値に近い系において、自己重力はTDEにおける後方流入率の進化にどのように影響を与えるか？
• RQ4 部分的TDEにおける生存星コアが円周方向円盤を獲得できるか？その起源と持続性は何か？
• RQ5 単純な解析的関数が、さまざまな破壊状態におけるTDE後方流入率ライトカーブを正確にフィットできるか？

主な発見

• 完全TDEでは、後方流入率のべき乗指数が n∞ ≃ −5/3 に漸近する。これは古典的理論と整合的である。
• 部分的TDEでは、星コアが完全に生存している場合、後段階的後方流入指数は n∞ ≃ −9/4 に達するが、コア質量分率に依存しない。
• 臨界に近い破壊（β ≈ βc）では、破壊破片がわずかに正のエネルギーを持つ単一の「ゾンビコア」に再収縮し、n(t) が約100年間にわたり ≈−9/4 から ≈−5/3 へと変化する。
• β ≈ 1.61 および 1.70 の場合、後方流入率の進化は n ≈ −9/4 から n ≈ −5/3 へと遷移し、その遷移時間スケールは理論的推定値 Tϵ ≈ 87–190 年と一致する。
• 自己重力は、臨界値の2倍までのβに対しても、特に低質量星（0.3M⊙ MAMS）では再収縮を駆動し、後方流入プロファイルを変化させる。
• 部分的TDEにおける生存星コアは、急速に回転するコアからの赤道方向噴出と、束縛破片流からの持続的供給により、円周方向円盤を獲得可能であり、観測可能な円盤放射を引き起こす可能性がある。