[論文レビュー] An Arena for Multi-Messenger Astrophysics: Inspiral and Tidal Disruption of White Dwarfs by Massive Black Holes

Michael Eracleous, Suvi Gezari+5 more|arXiv (Cornell University)|Feb 18, 2019

Astrophysical Phenomena and Observations被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、矮星銀河や星団における中質量ブラックホール（10⁴–10⁵ M☉）による白色矮星の潮汐破壊が、コンパクト天体形成、恒星動力学、降着物理学への強力なマルチメッセンジャーウィンドウを提供すると提案している。LISAによる重力波検出とLSSTによる電磁放射 flare の観測が、早期警戒、質量・スピン測定、超Eddington降着モデルの検証を可能にし、ローカルユニバースにおいて年間数十件のこのようなイベントが予想される楽観的な予測がなされている。

ABSTRACT

The tidal disruption of stars by (super-)massive black holes in galactic nuclei has been discussed in theoretical terms for about 30 years but only in the past decade have we been able to detect such events in substantial numbers. Thus, we are now starting to carry out observational tests of models for the disruption. We are also formulating expectations for the inspiral and disruption of white dwarfs by intermediate-mass black holes with masses $< 10^5\\;{\ m M}_\\odot$. Such events are very rich with information and open a new window to intermediate-mass black holes, thought to live in dwarf galaxies and star clusters. They can inform us of the demographics of intermediate-mass black holes, stellar populations and dynamics in their immediate vicinity, and the physics of accretion of hydrogen-deficient material. The combination of upcoming transient surveys using ground-based, electromagnetic observatories and low-frequency gravitational wave observations is ideal for exploiting tidal disruptions of white dwarfs. The detection rate of gravitational wave signals, optimistically, may reach a few dozen per year in a volume up to $z\\approx 0.1$. Gravitational wave observations are particularly useful because they yield the masses of the objects involved and allow determination of the spin of the black hole, affording tests of physical models for black hole formation and growth. They also give us advance warning of the electromagnetic flares by weeks or more. The right computing infrastructure for modern models for the disruption process and event rates will allow us to make the most of the upcoming observing facilities.

研究の動機と目的

• 中質量ブラックホールによる白色矮星の潮汐破壊が、コンパクト天体の人口統計と銀河進化を新たに探査する手段としての可能性を検討すること。
• 近い将来の電磁的サーベイ（LSST）と低周波数重力波観測所（LISA）の相乗効果が、これらのイベントの検出と特徴付けにどのように寄与するかを評価すること。
• 電磁的および重力波データを統合して、超Eddington降着モデルと宇宙論的距離測定を検証すること。
• 相対論的・磁流力学的フレームワーク内でデブリの運動、降着流、イベント率をモデル化するための高度な計算インfraストラクチャの必要性を強調すること。

提案手法

• 放射・物質の結合と超Eddington降着流を含む相対論的・磁流力学的シミュレーションを用いて、白色矮星の潮汐破壊をモデル化すること。
• 中質量ブラックホールを有する銀河核における白色矮星のイベント率を予測するための恒星動力学計算を実施すること。
• 10–100 mHzにおけるLISA感度曲線を用いて、10⁴–10⁵ M☉のブラックホールへの白色矮星の降下の重力波検出率を推定すること。
• LSSTの電磁光曲線と重力波データを統合し、宇宙距離階層に依存しない方法でブラックホール質量、スピン、距離を推定すること。
• 潮汐破壊半径の式 Rₜ ≈ (M•/m*)¹ᐟ³ r* を適用して、白色矮星の観測可能な破壊閾値を決定すること。
• サーベイの深さと体積を想定し、LSSTが z ≲ 0.1 で年間約12件の白色矮星破壊を検出すると予想される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ローカルユニバースにおける中質量ブラックホールによる白色矮星の潮汐破壊の予想される発生率は何か？ そしてLSSTはどのようにこれを検出するか？
• RQ2 LISAによる重力波観測は、これらのイベントの早期警戒と正確な質量・スピン測定をどのように可能にするか？
• RQ3 電磁的および重力波データを統合することで、超Eddington降着モデルと、下流のEddington降着への遷移をどの程度まで制約できるか？
• RQ4 白色矮星の潮汐破壊は、標準距離階層に依存しない宇宙論的距離指標として機能できるか？
• RQ5 相対論的・放射流体力学的精度で、完全な降下および破壊プロセスをモデル化するためにはどのような計算インフラストラクチャが必要か？

主な発見

• LSSTは年間約10件の白色矮星潮汐破壊イベントを検出すると予想され、中質量ブラックホールを研究するためのサンプルサイズが顕著に増加する。
• LISAは、白色矮星が10⁵ M☉のブラックホールに降下する直前まで、最大1年間も前もって重力波信号を検出可能であり、電磁的フォローアップのための早期警戒を提供する。
• 白色矮星の降下の体積的検出率は楽観的であり、z ≈ 0.1 の範囲内で年間数10件の重力波イベントが予想される。
• 重力波観測により、ブラックホールの正確な質量とスピンが得られ、中質量ブラックホールの形成および成長モデルの検証が可能になる。
• 電磁的および重力波データの統合により、ハッブル定数の独立した測定が可能となり、星質量ブラックホールと超大質量ブラックホール合体の間の赤方偏移ギャップを埋める。
• 白色矮星からの水素欠乏降着フレアの検出は、さまざまなEddington比範囲における超Eddington降着流モデルの検証を可能にする。