[논문 리뷰] An Arena for Multi-Messenger Astrophysics: Inspiral and Tidal Disruption of White Dwarfs by Massive Black Holes

Michael Eracleous, Suvi Gezari외 5명|arXiv (Cornell University)|2019. 02. 18.

Astrophysical Phenomena and Observations인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 낌새별은은하와 성운에서 중간질량 블랙홀(10⁴–10⁵ M☉)에 의한 백색왜성의 thủy권 파괴가 압축된 천체 형성, 항성 역학, 및 질량흡착 물리학을 탐색하는 강력한 다중 메시저 창구를 제공한다고 제안한다. LISA가 중력파를 탐지하고 LSST가 전자기 방출을 관측함으로써 조기 경고, 질량 및 스핀 측정, 초-에디링턴 질량흡착 모델의 검증이 가능해지며, 국소 우주에서 연간 수십 건의 이러한 사건이 예상된다.

ABSTRACT

The tidal disruption of stars by (super-)massive black holes in galactic nuclei has been discussed in theoretical terms for about 30 years but only in the past decade have we been able to detect such events in substantial numbers. Thus, we are now starting to carry out observational tests of models for the disruption. We are also formulating expectations for the inspiral and disruption of white dwarfs by intermediate-mass black holes with masses $< 10^5\\;{\ m M}_\\odot$. Such events are very rich with information and open a new window to intermediate-mass black holes, thought to live in dwarf galaxies and star clusters. They can inform us of the demographics of intermediate-mass black holes, stellar populations and dynamics in their immediate vicinity, and the physics of accretion of hydrogen-deficient material. The combination of upcoming transient surveys using ground-based, electromagnetic observatories and low-frequency gravitational wave observations is ideal for exploiting tidal disruptions of white dwarfs. The detection rate of gravitational wave signals, optimistically, may reach a few dozen per year in a volume up to $z\\approx 0.1$. Gravitational wave observations are particularly useful because they yield the masses of the objects involved and allow determination of the spin of the black hole, affording tests of physical models for black hole formation and growth. They also give us advance warning of the electromagnetic flares by weeks or more. The right computing infrastructure for modern models for the disruption process and event rates will allow us to make the most of the upcoming observing facilities.

연구 동기 및 목표

• 중간질량 블랙홀에 의한 백색왜성의 수축 파괴가 압축된 천체의 인구 구성과 은하 진화를 탐색하는 데 새로운 탐사 수단이 될 잠재력을 탐색하기 위해.
• 향후 전자기적 탐사(예: LSST)와 저주파 중력파 관측소(LISA) 간의 융합 가능성을 평가하여 이러한 사건을 탐지하고 특성화하는 데 목적이 있다.
• 전자기적 및 중력파 데이터를 융합하여 초-에디링턴 질량흡착 모델과 우주론적 거리 측정을 검증하는 데 목적이 있다.
• 상대론적, 자기유체역학적 프레임워크에서 파편 역학, 질량흡착 유량, 그리고 사건 빈도를 모델링하기 위해 고도화된 계산 인프라가 필요하다는 점을 부각시키기 위해.

제안 방법

• 복사-물질 결합과 초-에디링턴 질량흡착 유량을 포함한 상대론적 자기유체역학 시뮬레이션을 사용하여 백색왜성의 수축 파괴를 모델링한다.
• 중간질량 블랙홀이 존재하는 은하핵에서의 백색왜성 사건 빈도를 예측하기 위해 항성 역학 계산을 수행한다.
• 10–100 mHz 범위에서 LISA 감도 곡선을 사용하여 10⁴–10⁵ M☉ 블랙홀에 향하는 백색왜성의 궤도 유도에 따른 중력파 탐지 빈도를 추정한다.
• LSST의 전자기 빛의 변화 곡선과 중력파 데이터를 융합하여 우주 거리 척도에 의존하지 않고도 블랙홀 질량, 스핀, 거리를 독립적으로 추정한다.
• 수축 파괴 반경 공식 Rₜ ≈ (M•/m*)¹ᐟ³ r*를 적용하여 백색왜성의 관측 가능한 파괴 임계 조건을 결정한다.
• 조사 깊이와 부피를 기반으로 탐지 빈도를 예측하며, LSST가 z ≲ 0.1 범위에서 연간 약 12건의 백색왜성 파괴를 탐지할 것으로 가정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 국소 우주에서 중간질량 블랙홀에 의한 백색왜성 수축 파괴의 예상 빈도는 얼마이며, LSST는 이를 어떻게 탐지할 수 있는가?
• RQ2 LISA의 중력파 관측은 이러한 사건에 대해 얼마나 일찍 경고를 제공하고, 정확한 질량 및 스핀 측정을 가능하게 하는가?
• RQ3 전자기적 및 중력파 데이터가 함께 초-에디링턴 질량흡착 모델과 하향형 질량흡착 전환 과정을 얼마나 정밀하게 제약할 수 있는가?
• RQ4 백색왜성의 수축 파괴는 표준 거리 척도에 의존하지 않는 천체론적 거리 지표로 기능할 수 있는가?
• RQ5 상대론적, 복사유체역학 정확도로 전체 유도 및 파괴 과정을 모델링하기 위해 필요한 계산 인프라는 무엇인가?

주요 결과

• LSST는 매년 약 열두 건의 백색왜성 수축 파괴 사건을 탐지할 것으로 예상되며, 이는 중간질량 블랙홀를 연구하는 데 있어 표본 크기를 크게 증가시킬 것이다.
• LISA는 백색왜성의 10⁵ M☉ 블랙홀에 대한 유도 과정에서 발생하는 중력파 신호를 파괴 1년 전까지 탐지할 수 있으며, 전자기적 후속 관측을 위한 조기 경고를 제공할 수 있다.
• 백색왜성 유도의 체적 탐지 빈도는 낙관적인 편이며, z ≈ 0.1 범위 내에서 매년 수십 건의 중력파 사건이 기대된다.
• 중력파 관측은 정밀한 블랙홀 질량과 스핀을 제공하여, 중간질량 블랙홀의 형성 및 성장 모델을 검증할 수 있다.
• 전자기적 및 중력파 데이터의 융합은 허블 상수를 표준 거리 척도에 의존하지 않고 독립적으로 측정할 수 있게 하며, 별질량 블랙홀과 초거대 블랙홀 병합 간의 적색편이 갭을 메운다.
• 백색왜성에서의 수소 결핍 질량흡착 플레어 탐지 결과는 다양한 에디링턴 비율에서 초-에디링턴 질량흡착 유량 모델을 검증하는 데 기여할 수 있다.