[論文レビュー] Tidal disruptions of rotating stars by a supermassive black hole

Kazuki Kagaya, S. Yoshida+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 17, 2019

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 5被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、平滑化粒子流体力学（SPH）シミュレーションを用いて、質量中心ブラックホールによる潮汐破壊現象（TDE）における星の回転の影響を調査する。星の回転角運動量が軌道角運動量と平行な場合、破壊破片の比エネルギーが低くなり、質量再降着が早期に起こり、急激に上昇するフレアが生じる。逆に、反平行な回転の場合は、エネルギーの高い破片が生じ、ピークが遅れる。一般相対性理論的効果はさらに、ポテンシャルの深い井戸を形成することで、質量の早期流入を促進する。

ABSTRACT

We study tidal disruption events of rotating stars by a supermassive black hole in a galactic nucleus by using a smoothed-particle hydrodynamics (SPH) code. We compare mass infall rates of tidal-disruption debris of a non-rotating and of a rotating star when they come close to the supermassive black hole. Remarkably the mass distribution of debris bound to the black hole as a function of specific energy shows clear difference between rotating and non-rotating stars, even if the stellar rotation is far from the break-up limit. The debris of a star whose initial spin is parallel to the orbital angular momentum has a mass distribution which extends to lower energy than that of non-rotating star. The debris of a star with anti-parallel spin has a larger energy compared with a non-rotating counterpart. As a result, debris from a star with anti-parallel spin is bound more loosely to the black hole and the mass-infall rate rises later in time, while that of a star with a parallel spin is tightly bound and falls back to the black hole earlier. The different rising timescales of mass-infall rate may affect the early phase of flares due to the tidal disruptions. In the Appendix we study the disruptions by using a uniform-density ellipsoid model which approximately takes into account the effect of strong gravity of the black hole. We find the mass infall rate reaches its maximum earlier for strong gravity cases because the debris is trapped in a deeper potential well of the black hole.

研究の動機と目的

• TDEにおける星の回転が、破壊破片の質量分布および再降着率に与える影響を調査すること。
• 初期星の回転方向（軌道角運動量と平行対反平行）が、破壊破片のエネルギー分布に与える影響を定量化すること。
• 質量中心ブラックホール周辺の強い重力が、質量流入のタイミングおよびフレア上昇に与える影響を評価すること。
• ニュートン力学と擬ニュートン力学（Paczyński-Wiita）重力モデルを比較し、TDEの力学をシミュレートすること。
• 回転と強い重力が、TDEにおける再降着率のピーク時刻にどのように共同で影響を与えるかを特定すること。

提案手法

• 質量中心ブラックホールの重力場内において、平滑化粒子流体力学（SPH）を用いて回転する星の潮汐破壊をシミュレートする。
• 初期回転が軌道角運動量と平行または反平行になるように、軸対称な回転楕円体として星をモデル化し、均一密度楕円体近似を用いる。
• 破壊後の流体要素の比エネルギー $E$ を計算し、シミュレーション出力から質量分布 $dM/dE$ を導出する。
• 式 (2) を適用して $dM/dE$ を質量流入率 $dM/dT \propto T^{-5/3}$ に変換し、エネルギー分布とフレア光曲線の進化を結びつける。
• ニュートン重力と擬ニュートン力学的ポテンシャル（Paczyński-Wiita）を比較し、強力な一般相対性理論的効果を模倣する。
• 近日点距離を潮汐半径の87%に固定し、比較の一貫性を保つために初期星の半径と中心温度を正規化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 星の回転は、潮汐破壊破片の比エネルギー分布にどのように影響を与えるか？
• RQ2 回転方向（軌道角運動量と平行対反平行）が、TDEにおける質量再降着のタイミングに与える影響は何か？
• RQ3 擬ニュートン力学的ポテンシャル（一般相対性理論的効果を模倣）は、質量流入率の上昇時間にどのように影響を与えるか？
• RQ4 非回転星と比較して、星の回転はTDE光曲線のピーク時刻をどの程度変化させるか？
• RQ5 回転と強い重力の併存効果は、ニュートンモデルと比較して再降着率プロファイルをどのように変化させるか？

主な発見

• 初期回転が軌道角運動量と平行な星は、比エネルギーが低い破壊破片を生成し、結果として早期の質量再降着と急激に上昇するフレアが生じる。
• 反平行回転の星は、エネルギーの高い破片を生成し、結合が弱くなり、非回転星と比較して質量流入率のピークが遅れる。
• 擬ニュートン力学的ポテンシャル（強い重力を模倣）は、より深いポテンシャル井戸を形成するため、ニュートンモデルと比較して質量流入率のピークが早期に現れる。
• 強い重力（擬ニュートン力学的）モデルでは最大質量流入率が早期に達し、ピーク時刻 $T_{\rm max}$ がニュートン系に比べて最大で約10%短縮される。
• 強い重力下では、平行と反平行回転のケース間の $T_{\rm max}$ の差が小さくなり、相対論的効果が回転に起因する非対称性を抑制していることが示唆される。
• $4M_{\odot}$ の星で軸比0.95（回転パラメータ $T/W = 1.36 \times 10^{-2}$）の場合、$T_{\rm max}$ の回転に起因する遅れは顕著で、光曲線で検出可能である。