[논문 리뷰] Partial, zombie, and full tidal disruption of stars by supermassive black holes

C. J. Nixon, Eric R. Coughlin외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 09.

Astrophysical Phenomena and Observations참고 문헌 124인용 수 43

한 줄 요약

이 연구는 실제 별 구조를 고려한 장기적인 유체역학적 시뮬레이션을 통해 tidal disruption events (TDEs)를 수행하며, 전체 파손 시 후퇴율의 점점 감소하는 지수는 n∞ ≃ −5/3이며, 부분 파손 시에는 n∞ ≃ −9/4임을 밝혀냈다. 임계 pericentre 근처에서의 파손 시, 파손된 물질이 약간의 양의 에너지를 지닌 '좀비' 핵으로 재수축할 수 있으며, 이로 인해 후퇴율 지수는 약 100년 동안 −9/4에서 −5/3로 변화한다. 이는 TDE에서 자중력과 장기적 진화의 중요성을 강조한다.

ABSTRACT

We present long-duration numerical simulations of the tidal disruption of stars modelled with accurate stellar structures and spanning a range of pericentre distances, corresponding to cases where the stars are partially and completely disrupted. We substantiate the prediction that the late-time power-law index of the fallback rate $n_{\infty} \simeq -5/3$ for full disruptions, while for partial disruptions---in which the central part of the star survives the tidal encounter intact---we show that $n_{\infty} \simeq -9/4$. For the subset of simulations where the pericenter distance is close to that which delineates full from partial disruption, we find that a stellar core can reform after the star has been completely destroyed; for these events the energy of the zombie core is slightly positive, which results in late-time evolution from $n \simeq -9/4$ to $n \simeq -5/3$. We find that self-gravity can generate an $n(t)$ that deviates from $n_{\infty}$ by a small but significant amount for several years post-disruption. In one specific case with the stellar pericenter near the critical value, we find self-gravity also drives the re-collapse of the central regions of the debris stream into a collection of several cores while the rest of the stream remains relatively smooth. We also show that it is possible for the surviving stellar core in a partial disruption to acquire a circumstellar disc that is shed from the rapidly rotating core. Finally, we provide a novel analytical fitting function for the fallback rates that may also be useful in a range of contexts beyond TDEs.

연구 동기 및 목표

• 정확한 별 구조를 고려한 TDE에서의 후퇴율 지수의 장기적 진화를 조사하기 위해.
• 자중력과 별 구조가 후퇴율의 비율 지수에 미치는 영향을 규명하기 위해.
• 임계 파손 거리 근처에서 별이 완전히 파손되지만 파손 물질이 재수축하는 '좀비' 핵의 형성과 진화를 탐색하기 위해.
• 부분 TDE에서 생존한 별 핵 주위에 원환성 디스크가 형성될 수 있는지, 그 기원과 지속 가능성을 검토하기 위해.
• TDE를 초월한 다양한 파손 영역에 적용 가능한 새로운 분석적 피팅 함수 개발하기 위해.

제안 방법

• MESA 별 진화 코드에서 유도된 정확한 별 프로파일을 사용한 스피너드 입자 유체역학(SPH) 코드 SPHINX를 활용해 장기적 3차원 유체역학적 시뮬레이션을 수행하였다.
• 1M⊙ ZAMS, 1M⊙ MAMS, 0.3M⊙ MAMS 별을 원형 궤도에서 다양한 pericentre 거리(β ≈ 1.0–3.0)로 설정하여 TDE를 시뮬레이션하였다.
• 후퇴율을 소수의 매개변수로 모델링할 수 있는 새로운 분석적 피팅 함수(식 2)를 사용하여, 시뮬레이션 데이터와의 강력한 비교를 가능하게 하였다.
• 100년 이상의 시간 스케일에서 후퇴율과 그 순간적 비율 지수 n(t)의 진화를 추적하여 장기적 진화를 포착하였다.
• 자중력이 임계 파손 임계점 근처에서 파손 물질이 하나 또는 여러 개의 핵으로 재수축하는 데 기여하는 방식을 분석하였다.
• 생존한 핵의 블랙홀 대비 에너지를 정량화하여 장기적 궤도적 운명과 후퇴율 진화를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전체 파손 대비 부분 파손에서 후퇴율의 장기적 비율 지수는 무엇인가?
• RQ2 임계 파손 거리 근처에서 완전히 파손된 별의 파손 물질이 약간의 양의 에너지를 지닌 유닛 핵('좀비' 핵)으로 재수축할 수 있는가?
• RQ3 특히 파손 임계점 근처의 시스템에서 자중력은 TDE의 후퇴율 진화에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 부분 TDE에서 생존한 별 핵이 원환성 디스크를 획득할 수 있으며, 그 기원과 수명은 무엇인가?
• RQ5 간단한 분석적 함수로 다양한 파손 영역에서 TDE 후퇴율 라이트 커브를 정확하게 피팅할 수 있는가?

주요 결과

• 전체 파손의 경우, 후퇴율 비율 지수는 점점 n∞ ≃ −5/3로 수렴하며, 고전 이론과 일치한다.
• 생존한 별 핵이 있는 부분 파손의 경우, 장기적 후퇴율 지수는 n∞ ≃ −9/4이며, 핵의 질량 비율과는 무관하다.
• 임계에 가까운 파손(β ≈ βc)의 경우, 파손 물질이 약간의 양의 에너지를 지닌 단일 '좀비' 핵으로 재수축할 수 있으며, 이로 인해 n(t)는 약 100년 동안 ≈−9/4에서 ≈−5/3로 변화한다.
• β ≈ 1.61 및 1.70의 경우, 후퇴율 진화는 n ≈ −9/4에서 n ≈ −5/3로 전이되며, 이 전이의 시간 스케일은 이론적 추정치 Tϵ ≈ 87–190년과 일치한다.
• 자중력은 임계 값의 두 배까지의 β에서도 후퇴율에 상당한 영향을 미치며, 특히 저질량 별(0.3M⊙ MAMS)에서는 재수축을 유도하고 후퇴 프로파일을 변화시킨다.
• 부분 TDE에서 생존한 별 핵은 빠르게 회전하는 핵의 등방성 방출과 유지되는 유입된 파손 유량을 통해 원환성 디스크를 획득할 수 있으며, 이는 관측 가능한 디스크 복사로 이어질 수 있다.