[論文レビュー] Repeating Tidal Disruption of Stars as a Prompt Electromagnetic Signature of Supermassive Black Hole Coalescence

Nicholas C. Stone, Abraham Loeb|arXiv (Cornell University)|Apr 27, 2010

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、反動による損失円錐の満たされ方によって引き起こされる、星の繰り返し潮汐破壊を通じて、超大質量ブラックホール合体が特徴的な電磁的特徴を示すと提唱している。その結果生じるフレアは、年間最大0.1回に達し、最近の合体を即座に観測可能な印として機能し、LISAおよびパルサー計時配列の重力波源の率の補正に役立つ。

ABSTRACT

A precise electromagnetic measurement of the sky coordinates and redshift of a coalescing black hole binary holds the key for using its gravitational wave (GW) signal to constrain cosmological parameters and to test general relativity. Here we show that the merger of ~10^{6-7}M_sun black holes is generically followed over a period of years by multiple electromagnetic flares from tidally disrupted stars. The sudden recoil imparted to the merged black hole by GW emission promptly fills its loss cone and results in a tidal disruption rate of stars as high as ~0.1 per year. The prompt disruption of a star within a single galaxy over a short period provides a unique electromagnetic flag of a recent black hole coalescence event, and sequential disruptions could be used on their own to calibrate the expected rate of GW sources for pulsar timing arrays or the proposed Laser Interferometer Space Antenna (LISA).

研究の動機と目的

• 超大質量ブラックホール二重子の合体は電磁波帯で通常は見えないが、その即時的な電磁的類縁物を特定すること。
• 重力波時代におけるブラックホール合体の同定と位置特定の課題に取り組み、電磁的追従観測が宇宙論的および相対論的検証に不可欠であることを示すこと。
• 合体後の星の潮汐破壊が、最近の合体イベントを特徴づける一意で観測可能な特徴となる可能性を示すこと。
• 繰り返し発生するフレアの電磁観測を用いて、重力波源の予想される率を補正する手法を提供すること。
• 将来的な宇宙望遠鏡型重力波ミッション（例：LISA）において、これらのフレアを独立した手法として、合体率を制約する可能性を検討すること。

提案手法

• 非対称な重力波放出によって合体した超大質量ブラックホールに与えられる反動キックをモデル化すること。
• その結果生じるブラックホールの損失円錐の満たされ方を計算し、星の潮汐破壊イベント（TDE）の発生率が上昇することを示すこと。
• 損失円錐理論を用いて潮汐破壊率を推定し、合体後には最大で年間約0.1に達することが示された。
• 1つの銀河から複数のフレアが観測可能かどうかを評価し、最近のブラックホール合体の兆候とすること。
• 観測されたフレア率をパルサー計時配列およびLISAの重力波源検出率に結びつけること。
• フレアの再発周期を用いて合体イベントの時期を推定し、正確な電磁的赤方偏移および天球位置を特定すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超大質量ブラックホール合体に起因する反動キックは、周囲の星の潮汐破壊率を顕著に上昇させるか？
• RQ2 繰り返し発生する潮汐破壊イベント由来の電磁的フレアは、最近のブラックホール合体を特徴づける一意で即時の兆候として機能するか？
• RQ3 観測されたフレア率を、LISAおよびパルサー計時配列の重力波源の予想される率を補正するためにどの程度活用できるか？
• RQ4 密度の高い星の環境におけるブラックホール合体後に予想される潮汐破壊フレアの時間スケールと発生率は何か？
• RQ5 繰り返し発生するTDEの電磁的特徴は、合体中のブラックホール二重子の天球位置および赤方偏移を独立して制約できるか？

主な発見

• 合体後の反動により損失円錐が満たされ、星の潮汐破壊率が最大で年間約0.1にまで上昇する。
• その結果生じる電磁フレアは数年間にわたり発生し、1つの銀河内で繰り返し明るい遷移現象として観測可能である。
• これらのフレアは、ブラックホール合体に特有の即時的な電磁的類縁物を提供し、正確な天球位置特定および赤方偏移測定を可能にする。
• フレアの系列を用いることで、パルサー計時配列の重力波源検出率を独立して補正できる。
• フレアは、電磁的および重力波観測を併用することで一般相対性理論の検証や宇宙論的パラメータの制約に役立つ。
• モデルは、最近の合体を伴う1つの銀河が複数のTDEを示す可能性を予測しており、これがマルチメッセンジャー天文学の主要な標的となる。