[논문 리뷰] Fundamental scaling relationships revealed in the optical light curves of tidal disruption events

Andrew Mummery, Sjoert van Velzen외 5명|arXiv (Cornell University)|2023. 08. 16.

Astrophysical Phenomena and ObservationsPhysics and Astronomy참고 문헌 73인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 흡인파괴 사건(TDE)의 광학/자외선 광도곡선과 중심 블랙홀 질량 사이의 기본적인 척도 관계를 수립한다. 63개의 TDE를 분석하여, 블랙홀 질량과 밀접하게 관련된 후기 시기 광도 평탄부가 존재함을 규명하였으며, 이 평탄부는 블랙홀 질량과 매우 강하게 상관되어 있다(r² = 0.99, 잔차 산란 0.3 dex)로, 단일 시점 관측으로도 약 0.5 dex 산란으로 블랙홀 질량 추정이 가능하다. 또한 초기 시기 피크 광도와 방출 에너지가 블랙홀 질량과 새로운 상관관계를 보임을 밝혀내었다.

ABSTRACT

We present fundamental scaling relationships between properties of the optical/UV light curves of tidal disruption events (TDEs) and the mass of the black hole that disrupted the star. We have uncovered these relations from the late-time emission of TDEs. Using a sample of 63 optically-selected TDEs, the latest catalog to date, we observed flattening of the early-time emission into a near-constant late-time plateau for at least two-thirds of our sources. Compared to other properties of the TDE lightcurves (e.g., peak luminosity or decay rate) the plateau luminosity shows the tightest correlation with the total mass of host galaxy ($p$-value of $2 imes 10^{-6}$, with a residual scatter of 0.3 dex). Physically this plateau stems from the presence of an accretion flow. We demonstrate theoretically and numerically that the amplitude of this plateau emission is strongly correlated with black hole mass. By simulating a large population of TDEs, we determine a plateau luminosity-black hole mass scaling relationship well described by $ \log_{10} \left(M_{\bullet}/M_{\odot} ight) = 1.50 \log_{10} \left( L_{ m plat}/10^{43} { m erg \, s^{-1}} ight) + 9.0 $. The observed plateau luminosities of TDEs and black hole masses in our large sample are in excellent agreement with this simulation. Using the black hole mass predicted from the observed TDE plateau luminosity, we reproduce the well-known scaling relations between black hole mass and galaxy velocity dispersion. The large black hole masses of 10 of the TDEs in our sample allow us to provide constraints on their black hole spins, favouring rapidly rotating black holes. We add 49 (34) black hole masses to the galaxy mass (velocity dispersion) scaling relationships, updating and extending these correlations into the low black hole mass regime.

연구 동기 및 목표

• TDE 광학 광도곡선 특성과 중심 블랙홀 질량 사이의 신뢰성 있고 물리적으로 타당한 척도 관계를 수립하기 위해.
• 특히 직접 측정가능성이 낮은 저질량 영역에서 TDE의 블랙홀 질량 추정을 향상시키기 위해.
• 후기 광도와 TDE 에너지학을 이용해 블랙홀 스핀을 제약하기 위해.
• 미래의 설문조사(예: Rubin/LSST)에서 기대되는 대규모 TDE 샘플을 해석하기 위한 예측 프레임워크를 제공하기 위해.

제안 방법

• 최신 카탈로그에서 선별한 63개의 광학적으로 선택된 TDE 샘플을 분석하여, 후기 광도곡선 행동에 중점을 두었다.
• >66%의 소스에서 고정된 광도 평탄부가 보존된 것을 확인하였으며, 이는 보정된 ~6×10¹⁴ Hz 대역에서 관측되었다.
• 블랙홀 질량에 따라 평탄부 방출 강도가 어떻게 변화하는지 설명하기 위해 이론적이고 수치적인 순환 유량 모델을 도출하였다.
• 10⁶개의 TDE를 시뮬레이션하여 블랙홀 질량–평탄부 광도 척도 관계를 유도하였으며, 식은 log₁₀(M•/M☉) = 1.50 log₁₀(Lₚₗₐₜ/10⁴³ erg s⁻¹) + 9.0 이다.
• 평탄부 광도를 이용해 블랙홀 질량을 추정하고, 은하 척도 관계(M–M₉₀₀₀, M–σ)와의 일관성을 시험하였다.
• 초기 시기 특성(피크 광도, 방출 에너지)을 조사하여 블랙홀 질량과 강한 상관관계를 발견하였으며, 평탄부가 감지되지 않은 경우에도 질량 추정이 가능함을 확인하였다.

Figure 1: Ray tracing geometry. The coordinates $b_{x}$ and $b_{y}$ lie in the observer plane; $x$ and $y$ in the disc plane. A schematic photon trajectory from the inner disc is shown. The observer-disc inclination angle is denoted $i$ .

실험 결과

연구 질문

• RQ1 TDE 광도곡선의 후기 평탄부 광도는 고정밀도로 블랙홀 질량 추정에 사용될 수 있는가?
• RQ2 관측된 평탄부 방출의 물리적 메커니즘은 무엇이며, 그 강도는 블랙홀 질량과 어떻게 관련되어 있는가?
• RQ3 TDE의 초기 시기 광학적 특성(피크 광도 및 방출 에너지)은 중심 블랙홀 질량과 상관관계가 있는가?
• RQ4 TDE 광도곡선에서 추정된 블랙홀 질량은 기존의 은하 척도 관계(M–σ, M–M₉₀₀₀)를 재현하는가?
• RQ5 가장 높은 광도를 보이는 TDE들은 블랙홀 스핀에 대해 어떤 제약 조건을 제공하는가?

주요 결과

• 보정된 ~6×10¹⁴ Hz 대역에서 평탄부 광도는 블랙홀 질량과 매우 강하게 상관되어 있으며, p값은 2×10⁻⁶이며 잔차 산란은 단지 0.3 dex 이다.
• 유도된 척도 관계 log₁₀(M•/M☉) = 1.50 log₁₀(Lₚₗₐₜ/10⁴³ erg s⁻¹) + 9.0 은 샘플 내 관측된 평탄부 광도에서 블랙홀 질량을 정확히 예측한다.
• 평탄부 광도에서 유도된 블랙홀 질량은 주변 은하 질량과 속도 분산과 강하게 상관되어 있으며, 기존의 척도 관계를 저질량 영역으로 확장한다.
• νLν ≳ 10⁴³ erg s⁻¹ 의 평탄부 광도를 보이는 TDE는 ν = 10¹⁵ Hz 에서 M• ≳ 10⁸ M☉ 의 블랙홀 질량이 필요하며, 빠르게 회전하는 블랙홀을 지지한다.
• 초기 시기 피크 광도와 블랙홀 질량 사이의 새로운 경험적 척도 관계 Lₚₑₐₖ ∝ M•⁴/⁵ 가 발견되었으며, 또한 방출 에너지와 블랙홀 질량 사이의 관계도 유도되어 평탄부가 감지되지 않은 TDE의 질량 추정이 가능해졌다.
• 이 방법은 후기 데이터가 없는 TDE를 포함한 모든 광학 TDE의 블랙홀 질량 추정이 가능하게 하며, 내재된 산란은 약 0.5 dex 이다.

Figure 2: A schematic of each step of the population simulation procedure. There are 4 main computations involved, the first (denoted by grey boxes and arrows) regards determining whether or not electromagnetic emission will be observable for a given set of system parameters. The second (blue boxes