[논문 리뷰] Tidal disruptions of rotating stars by a supermassive black hole

Kazuki Kagaya, S. Yoshida외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 17.

Astrophysical Phenomena and Observations참고 문헌 5인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 슈퍼마스티브 블랙홀에 의한 tidal disruption events (TDEs)에서 별의 자전이 어떻게 영향을 미치는지 분석하기 위해 smoothed-particle hydrodynamics (SPH) 시뮬레이션을 사용한다. 별의 자전이 궤도 운동량과 평행한 경우, 탈락된 물질의 특정 에너지가 낮아져 더 이른 질량 복귀와 더 빠르게 상승하는 플레어가 발생하는 반면, 반대 방향 자전은 더 높은 에너지의 물질을 만들어내어 피크가 지연된다. 일반 상대성 이론 효과는 잠재력의 깊이를 더 깊게 만들어 이른 질량 유입을 더욱 강화한다.

ABSTRACT

We study tidal disruption events of rotating stars by a supermassive black hole in a galactic nucleus by using a smoothed-particle hydrodynamics (SPH) code. We compare mass infall rates of tidal-disruption debris of a non-rotating and of a rotating star when they come close to the supermassive black hole. Remarkably the mass distribution of debris bound to the black hole as a function of specific energy shows clear difference between rotating and non-rotating stars, even if the stellar rotation is far from the break-up limit. The debris of a star whose initial spin is parallel to the orbital angular momentum has a mass distribution which extends to lower energy than that of non-rotating star. The debris of a star with anti-parallel spin has a larger energy compared with a non-rotating counterpart. As a result, debris from a star with anti-parallel spin is bound more loosely to the black hole and the mass-infall rate rises later in time, while that of a star with a parallel spin is tightly bound and falls back to the black hole earlier. The different rising timescales of mass-infall rate may affect the early phase of flares due to the tidal disruptions. In the Appendix we study the disruptions by using a uniform-density ellipsoid model which approximately takes into account the effect of strong gravity of the black hole. We find the mass infall rate reaches its maximum earlier for strong gravity cases because the debris is trapped in a deeper potential well of the black hole.

연구 동기 및 목표

• TDE에서 별의 자전이 파손된 물질의 질량 분포와 복귀율에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 초기 별의 자전 방향(궤도 운동량과 평행 대비 반대)이 파손된 물질의 에너지 분포에 어떻게 영향을 미치는지 정량화하는 것.
• 슈퍼마스티브 블랙홀 근처의 강한 중력이 질량 유입 및 플레어 상승 시간에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 뉴턴역학 모델과 의사-뉴턴역학(파체ński-위타) 중력 모델을 비교하여 TDE 역학을 시뮬레이션하는 것.
• 자전과 강한 중력의 상호작용이 TDE의 질량 유입률 피크 시간에 어떻게 영향을 미치는지 규명하는 것.

제안 방법

• 스무딩-파티클 유체역학(SPH)을 사용하여 슈퍼마스티브 블랙홀의 중력장 내에서 자전하는 별의 파손을 시뮬레이션한다.
• 초기 자전이 궤도 운동량과 축을 따라 정렬되도록 축대칭 타원체로 모델링하며, 균일 밀도 타원체 근사법을 사용한다.
• 파손 후 유체 요소의 특정 에너지 $E$를 계산하고, 시뮬레이션 출력에서 질량 분포 $dM/dE$를 유도한다.
• 식 (2)를 적용하여 $dM/dE$를 질량 유입률 $dM/dT \propto T^{-5/3}$로 변환하여 에너지 분포와 플레어 광선 곡선의 진화를 연결한다.
• 뉴턴역학 중력과 의사-뉴턴역학 잠재력(Paczyński-Wiita)을 비교하여 강한장에서의 일반 상대성 이론 효과를 모방한다.
• 근점 거리를 파괴의 조건에 따라 87%로 고정하고, 초기 별 반지름과 중심 온도를 일관된 비교를 위해 정규화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 별의 자전은 파손된 파편의 특정 에너지 분포에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 자전 방향(궤도 운동량과 평행 대비 반대)은 TDE에서 질량 복귀 시점에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 일반 상대성 이론 효과(의사-뉴턴역학 잠재력으로 모의)는 질량 유입률 상승 시간에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 비자전 별에 비해 별의 자전은 TDE 광선 곡선의 피크 시간에 얼마나 영향을 미치는가?
• RQ5 자전과 강한 중력의 병합 효과는 뉴턴 모델에 비해 복귀율 프로파일을 어떻게 수정하는가?

주요 결과

• 초기 자전이 궤도 운동량과 평행한 별은 낮은 특정 에너지를 가진 파편을 만들어내어 더 이른 질량 복귀와 더 빠르게 상승하는 플레어를 유도한다.
• 반대 자전을 가진 별은 더 높은 에너지의 파편을 만들어내어 더 약한 유인과 함께 비자전 별에 비해 질량 유입률 피크가 지연된다.
• 의사-뉴턴역학 잠재력(강한 중력 효과를 모의)은 더 깊은 잠재력 우물 덕분에 뉴턴 모델에 비해 질량 유입률 피크가 더 이르게 나타나게 한다.
• 강한 중력(의사-뉴턴역학) 모델에서 최대 질량 유입률이 더 이르게 발생하며, 피크 시간 $T_{\rm max}$는 뉴턴 사례에 비해 약 ~10% 감소한다.
• 강한 중력 조건에서 평행과 반대 자전 사례 간의 $T_{\rm max}$ 차이는 감소하여, 상대론적 효과가 자전 비대칭성을 억제함을 시사한다.
• $4M_{\odot}$ 별(축비 0.95, 자화 모멘트 비 $T/W = 1.36 \times 10^{-2}$)의 경우, 자전에 의한 $T_{\rm max}$ 지연는 광선 곡선에서 명확하게 감지 가능하다.