[論文レビュー] Tidal disruption of stars by supermassive black holes: Status of observations

S. Komossa|arXiv (Cornell University)|May 5, 2015

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、超大質量ブラックホールによる潮汐破壊現象（TDE）の観測的証拠をレビューし、ジェットを発するTDEの検出と、良好にカバーされた光曲線の提供においてスイフトが果たした画期的な役割を強調している。TDEは強力な重力、降着物理学、ブラックホールスピンの探査手段として位置づけられており、特にスイフト J1644+57 は、これまでに観測された中で最も詳細にカバーされたTDEの光曲線を提供している。

ABSTRACT

Stars in the immediate vicinity of supermassive black holes (SMBHs) can be ripped apart by the tidal forces of the black hole. The subsequent accretion of the stellar material causes a spectacular flare of electromagnetic radiation. Here, we provide a review of the observations of tidal disruption events (TDEs), with an emphasis on the important contributions of Swift to this field. TDEs represent a new probe of matter under strong gravity, and have opened up a new window into studying accretion physics under extreme conditions. The events probe relativistic effects, provide a new means of measuring black hole spin, and represent signposts of intermediate-mass BHs, binary BHs and recoiling BHs. Luminous, high-amplitude X-ray flares, matching key predictions of the tidal disruption scenario, have first been discovered with ROSAT, and more recently with other missions and in other wavebands. The Swift discovery of two gamma-ray emitting, jetted TDEs, never seen before, has provided us with a unique probe of the early phases of jet formation and evolution, and SwiftJ1644+75 has the best covered lightcurve of any TDE to date. Further, Swift has made important contributions in providing well-covered lightcurves of TDEs discovered with other instruments, setting constraints on the physics that govern the TDE evolution, and including the discovery of the first candidate binary SMBH identified from a TDE lightcurve.

研究の動機と目的

• 複数の波長域におけるTDEの現在の観測状況を統合・評価すること。
• 高頻度モニタリングとジェットを伴うTDEの発見を通じて、スイフトミッションがTDE検出をどのように前進させたかを評価すること。
• TDEが極端な重力、降着物理学、およびスピンや質量といったブラックホールの性質を探査する手段としてどのように機能するかを検討すること。
• 中間質量ブラックホール、連星ブラックホール、反動ブラックホールの兆候としてのTDEの可能性を調査すること。
• 近い将来の全天スカイサーベイと専用ミッション（エインシュタインプローブ、LSSTなど）によるTDE検出の将来の可能性を評価すること。

提案手法

• ROSAT、スイフト、XMM-Newton、INTEGRAL、HSTからの多波長観測を分析し、TDE候補の特定と特徴付けを行う。
• 潮汐半径の式 $ r_{\rm t} \simeq 7 \times 10^{12} \left( \frac{M_{\rm BH}}{10^6 M_\odot} \right)^{1/3} \left( \frac{M_*}{M_\odot} \right)^{-1/3} \left( \frac{r_*}{r_\odot} \right) \text{ cm} $ を用いて、超大質量ブラックホール周辺の星の破壊条件を決定する。
• スイフト J1644+57 を含むTDEの光曲線モデリングを行い、降着ダイナミクスとジェット形成を制約する。
• 静止銀河におけるX線、UV、光学のフレアを用いたTDE候補のクロスアイデンティフィケーションを行い、AGNの変動と比較する。
• 理論的モデルを用いて、合体や連星ブラックホール系を含むさまざまな銀河環境におけるTDE率を評価する。
• 最近のシミュレーションと理論的枠組みに基づき、TDEからの重力波放射の評価を行う。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 TDEは、AGNの変動やガンマ線バーストなどの他の一時的現象とどのように区別されるか？
• RQ2 特にジェットを伴うTDE、たとえばスイフト J1644+57 の光曲線とスペクトル的進化は、ジェット形成と降着物理学のモデルをどの程度制約するか？
• RQ3 TDEを用いてブラックホールスピンを測定し、事象の地平線付近の相対論的効果を探査することはどの程度可能か？
• RQ4 IC 3599のような銀河で観測される再発フレアは、TDEモデルや連星または反動ブラックホールの存在にどのような含意を持つのか？
• RQ5 LSST、エインシュタインプローブ、SKAなどの近い将来の全天スカイサーベイは、今後10年間におけるTDEの検出と研究をどのように変えるか？

主な発見

• スイフトは、最初の相対論的ベーミングTDEであるスイフト J1644+57 を発見し、これはこれまでに観測された中で最も詳細にカバーされたTDEの光曲線を提供しており、ジェット進化の詳細な研究が可能になった。
• 明るく、高振幅のX線フレアは、最初にROSATが検出し、後にスイフトや他のミッションがX線、UV、光学帯域で確認したTDEの予測と一致した。
• TDE光曲線の解析を通じて、静止銀河に候補となる連星超大質量ブラックホールが同定された。これは、眠っている連星系を同定する上で画期的な進展であった。
• IC 3599のような銀河で観測される再発フレア（明るさが約100倍増加）は、標準TDEモデルに挑戦するが、AGNディスク不安定性や繰り返しの潮汐ストリッピングによって説明可能である可能性がある。
• XMM J061927.1−655311 のX線フレアは、ピーク放射度が ∼10⁴⁴ erg/s で、変動要因が140以上に達し、TDEまたは長期間にわたるAGNの降着率の変化として解釈された。
• エインシュタインプローブ（0.5–4 keV全天一時的サーベイ）やLSSTなどの今後のサーベイは、数百〜数千ものTDEを検出すると予想され、降着物理学およびブラックホールの人口統計に関する統計的分析が可能になる。