[논문 리뷰] Observable gravitational waves from tidal disruption events and their electromagnetic counterpart

Toscani, M., Lodato, G.|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 90인용 수 20

한 줄 요약

이 논문은 향후 중력파(GW) 탐지기, 특히 LISA와 다음 세대 임무인 Decigo를 통해 tidal disruption events(TDEs)의 탐지 가능성에 대해 추정한다. GW 방출의 반분석 모델링과 항성 집단의 출현률을 사용하여, LISA는 블랙홀 주변에 질량이 큰 별(m★,max ≳60 M⊙)을 포함한 젊은 항성 집단이 존재하지 않는 한 TDE를 탐지할 가능성이 매우 낮으며, 이 경우 최대 수십 건의 사건을 관측할 수 있음을 발견한다. 다음 세대 탐지기는 연간 수천 건의 TDE를 탐지할 수 있으며, 블랙홀 질량과 항성 환경의 인구 연구를 가능하게 하고, 전자기적 대응체는 X선 또는 가시광선 대역에서 기대된다.

ABSTRACT

We estimate the rate of tidal disruption events (TDEs) that will be detectable with future gravitational wave detectors as well as the most probable properties of these events and their possible electromagnetic counterpart. To this purpose we combine standard gravitational waves and electromagnetic results with detailed rates estimates. We find that the \emph{Laser Interferometer Space Antenna} (LISA) should not detect any TDEs, unless black holes (BHs) are typically embedded by a young stellar population which, in this situation, could lead up to few 10 events during the duration of the mission. If there are gravitational wave observations, these events should also be observable in the X-ray or the optical/UV part of the electromagnetic spectrum, which may open up the multi-messenger era for TDEs. The generation of detectors following LISA will at least yearly observe $10^4$ TDEs at cosmological distances, allowing to do population studies and constrain the black hole mass function. In all cases, most probable events should be around black holes with a mass such that the Keplerian frequency at the Schwarzschild radius is similar to the optimal frequency of the detector and with a large penetration factor.

연구 동기 및 목표

• 향후 중력파 탐지기인 LISA와 Decigo 등에서 탐지 가능한 TDE의 비율을 추정하는 것.
• 탐지 가능한 TDE의 가장 가능성이 높은 물리적 특성(블랙홀 질량, 항성 질량, 침투 인자)을 규명하는 것.
• 탐지 가능한 GW 사건이 X선 또는 가시광선/자외선 대역에서 관측 가능한 전자기적 대응체를 가지는지 평가하는 것.
• LISA의 탐지 또는 비탐지 결과가 블랙홀 주변 항성 집단의 연령과 질량 분포를 어떻게 제약하는지 분석하는 것.
• 미래의 다중 메신저 관측을 위해 중력파와 전자기 자료를 융합한 TDE 관측 결과를 해석할 수 있는 프레임워크를 제공하는 것.

제안 방법

• 연구는 항성-블랙홀 시스템의 질량, 반지름, 궤도 파rameter를 기반으로 TDE에서 발생하는 중력파 변형과 주파수를 계산하기 위해 반분석 모델을 사용한다.
• 상대론적 및 뉴턴적 근사법을 사용하여 특성 스트레인(ℎGW)과 관측 주파수(𝑓obs)를 유도하며, ΛCDM 우주론에서 적색이동과 공동 거리(χ(z))를 고려한다.
• 침투 인자 β = rT/rp를 포함하며, β ≤ βmax = rT/(2rSch) 조건을 만족시켜 별이 직접 포착되지 않도록 하며, Kroupa 유사 항성 질량 함수를 가정하고 고질량 절단값을 외삽한다.
• TDE의 탐지 가능 비율은 GW 탐지 임계값(S/Nlim)과 은하 전체의 항성 및 블랙홀 질량 함수를 결합하여 계산되며, Davidzon+17 및 Reines+15의 경험적 블랙홀 질량 함수를 사용한다.
• 전자기적 탐지 가능성은 표준 TDE 빛나는 모델에 기반하며, 직접 낙하가 아닌 경우 X선 및 가시광선/자외선 플레어가 기대된다.
• 분석에는 파라미터의 몬테카를로 스타일 샘플링이 포함되어 있으며, 다양한 탐지기와 항성 집단 모델에 따른 관측 가능한 비율을 계산한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LISA는 항성과 항성질량 또는 초거대 블랙홀와 관련된 TDE로부터 중력파를 탐지할 수 있는가?
• RQ2 향후 중력파 탐지기에서 탐지 가능한 TDE의 가장 가능성이 높은 물리적 파라미터(BH 질량, 항성 질량, 침투 인자)는 무엇인가?
• RQ3 TDE에서 탐지 가능한 중력파 사건이 X선 또는 가시광선/자외선 대역에서 관측 가능한 전자기적 대응체를 가지는가?
• RQ4 LISA의 탐지 또는 비탐지 결과는 블랙홀 주변 항성 집단의 연령과 질량 분포를 어떻게 제약하는가?
• RQ5 Decigo, ALIA, BBO와 같은 다음 세대 중력파 탐지기에서 우주론적 적색이동 범위에서 TDE의 예상 탐지 비율은 얼마인가?

주요 결과

• LISA는 블랙홀 주변에 최대 항성 질량 m★,max ≳60 M⊙를 가진 젊은 항성 집단이 존재하지 않는 한 TDE를 탐지할 가능성이 매우 낮으며, 이 경우 4년간의 임무 기간 동안 최대 수십 건의 사건을 관측할 수 있다.
• 이러한 젊은 항성 집단의 경우, LISA로 탐지 가능한 TDE의 최대 적색이동은 zmax ≈ 0.1이며, 이는 ℎGW ≈ 10−22의 특성 스트레인 임계값에 해당한다.
• Decigo와 같은 다음 세대 탐지기는 우주론적 거리에서 연간 10^4에서 10^6 건의 TDE를 탐지할 것으로 예상되며, 블랙홀 질량 함수에 대한 세밀한 연구가 가능하다.
• 어느 중력파 기기에서든 탐지 가능한 TDE 중 가장 가능성이 높은 것은, 임계 반경에서의 케플러 주파수(κ×rSch)가 기기의 최적 주파수와 일치하는 블랙홀 질량을 가진 사건들이다.
• LISA 또는 Decigo로 중력파에서 탐지 가능한 모든 TDE는 X선 또는 가시광선/자외선 대역에서 밝은 전자기적 대응체를 가지며, 다중 메신저 관측을 위한 후속 관측이 가능하다.
• 단일 질량 항성 집단의 경우 Kroupa 유사 초기 질량 함수에 비해 TDE 비율이 약 5배 낮게 나타나며, 이는 비율 추정에서 항성 질량 분포의 중요성을 강조한다.