[論文レビュー] Tidal Disruption Disks Formed and Fed by Stream-Stream and Stream-Disk Interactions in Global GRHD Simulations

Zachary L. Andalman, Matthew Liska+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 11, 2020

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 2被引用数 6

ひとこと要約

本研究は、回転するブラックホールと放物型の星の軌道を含む現実的なパラメータを用いた、深沈下潮汐破壊現象（TDE）の最初のグローバルな一般相対論的流体力学（GRHD）シミュレーションを提示する。この研究では、降着円盤の形成がストリーム同士の相互作用およびストリーム-円盤相互作用によって駆動されることを示し、約20%の物質が降着されることを明らかにした。また、自己交差が周期的なフレアと非円形円盤（e ≈ 0.88）を引き起こす一方で、傾いた軌道でもノード線の歳差により部分的な自己交差が生じ、円盤が形成されることを示した。

ABSTRACT

When a star passes close to a supermassive black hole (BH), the BH's tidal forces rip it apart into a thin stream, leading to a tidal disruption event (TDE). In this work, we study the post-disruption phase of TDEs in general relativistic hydrodynamics (GRHD) using our GPU-accelerated code H-AMR. We carry out the first grid-based simulation of a deep-penetration TDE ($β$=7) with realistic system parameters: a black-hole-to-star mass ratio of $10^6$, a parabolic stellar trajectory, and a nonzero BH spin. We also carry out a simulation of a tilted TDE whose stellar orbit is inclined relative to the BH midplane. We show that for our aligned TDE, an accretion disk forms due to the dissipation of orbital energy with $\sim$20 percent of the infalling material reaching the BH. The dissipation is initially dominated by violent self-intersections and later by stream-disk interactions near the pericenter. The self-intersections completely disrupt the incoming stream, resulting in five distinct self-intersection events separated by approximately 12 hours and a flaring in the accretion rate. We also find that the disk is eccentric with mean eccentricity e$\approx$0.88. For our tilted TDE, we find only partial self-intersections due to nodal precession near pericenter. Although these partial intersections eject gas out of the orbital plane, an accretion disk still forms with a similar accreted fraction of the material to the aligned case. These results have important implications for disk formation in realistic tidal disruptions. For instance, the periodicity in accretion rate induced by the complete stream disruption may explain the flaring events from Swift J1644+57.

研究の動機と目的

• 現実的な一般相対論的流体力学（GRHD）シミュレーションにおける潮汐破壊円盤の形成および降着ダイナミクスを調査すること。
• ストリーム同士およびストリーム-円盤の相互作用が、軌道エネルギーを散逸させ、円盤の円形化を可能にする役割を特定すること。
• ブラックホールのスピンおよび軌道の傾きが、円盤形成および降着効率に与える影響を検討すること。
• 衝撃散逸メカニズム（特に自己交差および近点ノズル衝撃）が円盤進化を駆動する可能性を評価すること。
• これらのメカニズムが、Swift J1644+57のような観測されたフレアを示すTDEに与える意味を検討すること。

提案手法

• GPUアクセラレーションを用いたH-AMRコードを用いて、β=7およびブラックホール質量10^6 M☉を有する深沈下TDEをモデル化するグローバルなGRHDシミュレーションを実施した。
• ブラックホールのスピン軸に対して整列および傾いた星の軌道をシミュレーションし、現実的な星の構造および一般相対論的重力場を組み込んだ。
• 自己交差およびストリーム-円盤相互作用によるエネルギー散逸メカニズムを追跡し、衝撃形成およびエントロピー生成を分析した。
• シャワーおよび円盤構造などの勾配が急な領域を解像するため、複数のリファインメントレベルを用いた適応メッシュリファインメント（AMR）を用いた。
• 降着率、円盤の離心率、および速度プロファイルを分析して、円形化および熱的圧力支持の度合を定量化した。
• 解析モデルおよび先行のニュートン的シミュレーション（特に降伏率のZEBRAモデル）と照合して結果を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ストリーム同士およびストリーム-円盤の相互作用は、相対論的TDEにおけるエネルギー散逸および円盤形成にどのように寄与するか？
• RQ2 星の破片の何パーセントがブラックホールに降着するのか？また、これは軌道の傾きやブラックホールのスピンにどのように依存するか？
• RQ3 自己交差およびノズル衝撃は、潮汐破壊破片ストリームの円形化をどの程度駆動するか？
• RQ4 傾いた軌道におけるノード線の歳差は、円盤形成の効率および形状にどのように影響するか？
• RQ5 熱的圧力勾配は、結果として生じる降着円盤の速度プロファイルおよび離心率をどのように形作るか？

主な発見

• 星の破片の約20%がブラックホールに降着しており、観測されたTDEの降着率と整合的である。
• 降着円盤は平均離心率e ≈ 0.88の高い値を示しており、エネルギー散逸にもかかわらず強い非円形運動が続くことを示している。
• 自己交差は5回の明確なイベントに分けられ、概ね12時間ごとにおよそ発生し、初期の軌道エネルギー散逸の主な要因である。
• 自己交差の影響が弱まった後、近点付近でのストリーム-円盤相互作用が主なエネルギー散逸メカニズムに変わる。
• 傾いた（傾きのある）軌道でも、ノード線の歳差による部分的自己交差が生じ、降着円盤が形成され、整列した場合と同程度の降着割合を示した。
• 熱的圧力勾配は、ケプラーモデルの値から比べて軌道速度を顕著に低下させ、重力に対して円盤を支持し、その低ケプラーモードの速度プロファイルを形作っている。