[논문 리뷰] Hydrodynamics of Collisions and Close Encounters between Stellar Black Holes and Main-sequence Stars

Kyle Kremer, James C. Lombardi외 3명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 28.

Astrophysical Phenomena and Observations참고 문헌 117인용 수 43

한 줄 요약

이 연구는 다양한 충돌 매개변수를 고려하여 별질량 블랙홀과 주계열 별 간의 밀접한 유사를 스무스드 파티클 유체역학(SPH) 시뮬레이션을 통해 모델링한다. 세 가지 주요 결과—완전한 파괴, 비완전한 파괴와 비결속된 잔해, 반복적인 페리체이서 통과를 동반한 tidal capture—가 밀도가 높은 군집에서 유사한 비율로 발생하며, 이는 전자기적 잠깐 번쩍임 현상과 블랙홀 질량 증가에 영향을 미친다.

ABSTRACT

Recent analyses have shown that close encounters between stars and stellar black holes occur frequently in dense star clusters. Depending upon the distance at closest approach, these interactions can lead to dissipating encounters such as tidal captures and disruptions, or direct physical collisions, all of which may be accompanied by bright electromagnetic transients. In this study, we perform a wide range of hydrodynamic simulations of close encounters between black holes and main-sequence stars that collectively cover the parameter space of interest, and we identify and classify the various possible outcomes. In the case of nearly head-on collisions, the star is completely disrupted with roughly half of the stellar material becoming bound to the black hole. For more distant encounters near the classical tidal-disruption radius, the star is only partially disrupted on the first pericenter passage. Depending upon the interaction details, the partially disrupted stellar remnant may be tidally captured by the black hole or become unbound (in some cases, receiving a sufficiently large impulsive kick from asymmetric mass loss to be ejected from its host cluster). In the former case, the star will undergo additional pericenter passages before ultimately being disrupted fully. Based on the properties of the material bound to the black hole at the end of our simulations (in particular, the total bound mass and angular momentum), we comment upon the expected accretion process and associated electromagnetic signatures that are likely to result.

연구 동기 및 목표

• 관련 매개변수 공간 전반에 걸쳐 별질량 블랙홀과 주계열 별 간의 유체역학적 결과를 체계적으로 매핑하기.
• 다양한 유형의 충돌에 대해 블랙홀에 결속된 별물질의 비율과 각운동량 분포를 정량화하기.
• 이러한 상호작용으로 기대되는 전자기적 잠깐 번쩍임 신호, 특히 베라 루빈 관측소와 같은 옵티컬 및 X선 관측소의 맥락에서의 특성 평가하기.
• 특히 밀도가 높은 항성 환경에서 파손된 별물질의 순환에 의한 블랙홀 질량 증가 가능성 평가하기.
• 향후 피드백 및 순환 효과를 포함한 항성군집의 N-body 시뮬레이션에 TDE 및 충돌 물리학을 통합하는 기초 제공하기.

제안 방법

• StarSmasher 코드를 사용하여 스무스드 파티클 유체역학(SPH) 시뮬레이션을 실시하여 블랙홀-주계열 별 상호작용을 모델링하기.
• 핵심 매개변수 변화: 블랙홀 질량(10–30 M⊙), 별 질량(0.5–20 M⊙), 다이아몬드 지수(별의 구조를 표현하기 위해), 페리체이서 거리(직접 충돌에서 먼 유사까지).
• 충격 매개변수 전반에 걸쳐 유사 시뮬레이션 수행, 직격 충돌에서부터 고전적 파괴 반경 근처의 tidal 파괴까지.
• 계산된 시스템의 최종 상태 분석을 통해 결속 질량, 각운동량, 잔해의 탈출 비율 파악하기.
• 기본 점성 디스크 모델과 Eddington 제한된 순환 물리학을 기반으로 순환 시간스케일과 발광도 추정하기.
• 시뮬레이션 통계 기반으로 다양한 결과에 대한 사건 빈도 추정하고 항성군집의 N-body 시뮬레이션 예측과 비교하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 별질량 블랙홀과 주계열 별 간의 밀착 유사에서 지배적인 유체역학적 결과(완전한 파괴, 부분적 파괴, 타이드 포획, 충돌)는 무엇인가?
• RQ2 얼마나 많은 별물질이 블랙홀에 결속되며, 이들의 각운동량 및 질량 분포는 어떻게 되는가?
• RQ3 이러한 사건과 관련된 기대되는 전자기적 잠깐 번쩍임 신호는 무엇인가? 특히 X선 및 옵티컬/자외 대역에서.
• RQ4 실제 항성군집 환경에서 전체 파괴, 비결속 잔해를 동반한 부분적 파괴, 타이드 포획의 빈도는 어떻게 비교되는가?
• RQ5 얼마나 많은 비율로 순환 피드백이 잔해를 탈구시킬 수 있으며, 이는 관측된 발광도와 잠깐 번쩍임 지속시간에 어떤 영향을 미칠 수 있는가?

주요 결과

• 거의 직격 충돌의 경우 별이 완전히 파괴되며, 약 절반의 별물질이 블랙홀에 결속된다.
• 고전적 파괴 반경 근처의 유사에서는 별이 첫 번째 페리체이서 통과에서 부분적으로만 파괴되며, 잔유물은 비결속 상태이거나 타이드 포획된다.
• 타이드 포획된 잔유물은 완전한 파괴 전까지 반복적인 페리체이서 통과를 겪으며, 수일에서 수년에 걸쳐 반복적인 순환 플레어를 유발할 수 있다.
• 저질량 별의 경우 총 결속 질량은 0.05에서 0.5 M⊙ 사이이며, 표준 순환 가정 하에 X선 대역에서 약 ~10^44 erg/s의 최고 발광도 추정된다.
• 순환 에너지의 상당 부분은 순환 물리학의 특성에 따라 디스크 풍에 의해 빛나는 옵티컬/자외 잠깐 번쩍임 현상으로 재처리될 수 있다.
• 지역 우주에서 전체 파괴, 비결속 잔해를 동반한 부분적 파괴, 타이드 포획의 상대 빈도는 작은 요인 내에서 유사하게 예측된다.