[논문 리뷰] "Circularization" vs. Accretion -- What Powers Tidal Disruption Events?

Tsvi Piran, Gilad Svirski외 3명|arXiv (Cornell University)|2015. 02. 20.

High-Velocity Impact and Material Behavior참고 문헌 2인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 간섭파 파괴 사건(TDEs)에서의 광학 빛의 세기는 블랙홀로의 물질 붕괴가 아니라 파괴된 별의 파편이 원형 궤도로 뭉치는 과정에서 발생하는 에너지 소산에 의해 주로 발생한다고 제안한다. 시뮬레이션 결과, 원형 궤도화는 블랙홀에서 약 10^15 cm 거리에서 일어나며, 이 과정에서 약 10^44 erg/s의 에너지가 방출된다. 이는 기존의 붕괴 기반 모델보다 관측된 TDE의 빛의 세기, 온도, 반경, 선 폭 등을 더 잘 설명한다.

ABSTRACT

A tidal disruption event (TDE) takes place when a star passes near enough to a massive black hole to be disrupted. About half the star's matter is given elliptical trajectories with large apocenter distances, the other half is unbound. To "circularize", i.e., to form an accretion flow, the bound matter must lose a significant amount of energy, with the actual amount depending on the characteristic scale of the flow measured in units of the black hole's gravitational radius ($\sim 10^{51} (R/1000R_g)^{-1}$~erg). Recent numerical simulations \citep{Shiokawa+2015} have revealed that the circularization scale is close to the scale of the most-bound initial orbits, $\sim 10^3 M_{BH,6.5}^{-2/3} R_g \sim 10^{15} M_{BH,6.5}^{1/3}$~cm from the black hole, and the corresponding circularization energy dissipation rate is $\sim 10^{44} M_{BH,6.5}^{-1/6}$~erg/s. We suggest that the energy liberated during circularization, rather then energy liberated by accretion onto the black hole, powers the observed optical TDE candidates. The observed rise times, luminosities, temperatures, emission radii, and line widths seen in these TDEs \citep[e.g.][]{Arcavi+2014} are all more readily explained in terms of heating associated with circularization than in terms of accretion.

연구 동기 및 목표

• 관측된 광학 TDE와 고전적 붕괴 기반 TDE 모델 간의 괴리점을 해결하기 위해.
• 왜 관측된 TDE가 표준 붕괴 모델이 예측하는 것보다 낮은 빛의 세기, 낮은 온도, 더 큰 방출 반경을 보이는지 조사하기 위해.
• 파괴된 별 파편의 원형 궤도화 과정에서의 에너지 소산이 관측된 광학 빛의 세기와 스펙트럼 특징을 설명할 수 있는지 테스트하기 위해.
• 광학 TDE에서 블랙홀로의 붕괴가 주요 에너지원이라는 가정을 도전하기 위해.
• 관측된 상승 시간, 빛의 세기, 운동학적 특성에 대해 물리적으로 일관된 설명을 제공하기 위해.

제안 방법

• 파괴된 별의 파편이 원형 궤도로 뭉치는 규모를 결정하기 위해 수치 시뮬레이션(Shiokawa 등, 2015)을 사용한다.
• 가장 결합력이 강한 궤도의 특성 척도인 약 10^15 M_{BH,6.5}^{1/3} cm를 사용하여 원형 궤도화 동안의 에너지 소산률을 계산한다.
• 원형 궤도화 가열에서 예측된 빛의 세기, 온도, 방출 반경, 선 폭을 관측된 TDE 특성과 비교한다.
• 원형 궤도화에서의 에너지 소산률인 약 10^44 M_{BH,6.5}^{-1/6} erg/s가 주요 에너지원임을 분석한다.
• 광자 포획, 초 에드링턴 풍속, 선으로 유도된 외부 흐름 등의 경쟁 모델을 평가하고 관측 결과와의 괴리로 인해 배제한다.
• 예측된 모델을 시험하기 위해 빛의 세기 감쇠, 온도, 선 너비 확장 등의 관측 진단 기법을 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 관측된 광학 TDE는 표준 붕괴 모델이 예측하는 것보다 낮은 빛의 세기와 낮은 온도를 보이는가?
• RQ2 왜 광학 TDE에서 추정되는 방출 반경이 약 10^15 cm로, 붕괴 원반에 비해 훨씬 더 큰가?
• RQ3 왜 관측된 선 폭(~10,000 km/s)이 R_T에서 붕괴 원반에서 기대되는 것보다 훨씬 작게 나타나는가?
• RQ4 파괴된 별 파편의 원형 궤도화 과정에서의 에너지 소산이 관측된 빛의 세기와 스펙트럼 특징을 설명할 수 있는가?
• RQ5 초 에드링턴 붕괴나 극도의 흡수 없이도 관측된 광학 TDE의 에너지 특성을 설명할 수 있는 메커니즘은 무엇인가?

주요 결과

• 파괴된 별 파편의 원형 궤도화 규모는 약 10^15 M_{BH,6.5}^{1/3} cm이며, 가장 결합력이 강한 궤도 반경과 유사하며, 이에 따른 에너지 소산률은 약 10^44 M_{BH,6.5}^{-1/6} erg/s이다.
• 원형 궤도화 가열에서 발생하는 빛의 세기는 관측된 광학 TDE를 충분히 뒷받침하며, 최고 빛의 세기는 약 10^43–10^44 erg/s로 관측 결과와 일치한다.
• 원형 궤도화에서 유도된 약 20,000–30,000 K의 효과적 온도와 약 10^15 cm의 방출 반경은 관측된 TDE 특성과 일치한다.
• 관측된 선 너비 확장(~10,000 km/s)은 원형 궤도화 규모의 운동학적 특성과 일치하지만, R_T에서 붕괴 원반에서 예상되는 훨씬 넓은 선 폭과는 다릅니다.
• 표준 붕괴 모델은 데이터를 설명하지 못한다: 예측된 빛의 세기는 너무 높고, 온도는 너무 뜨겁고, 방출 반경은 너무 작다.
• 광자 포획, 초 에드링턴 풍속, 선으로 유도된 외부 흐름 등의 대안 모델은 관측된 빛의 세기 곡선과 스펙트럼 특성과의 괴리로 인해 배제된다.