[논문 리뷰] Tidal Disruption Disks Formed and Fed by Stream-Stream and Stream-Disk Interactions in Global GRHD Simulations

Zachary L. Andalman, Matthew Liska외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 08. 11.

Astrophysical Phenomena and Observations참고 문헌 2인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 스핀하는 블랙홀과 타원도가 거의 1인 별 궤도를 고려한 실존적인 파arameters를 갖춘, 깊이 침투한 tidal disruption event(TDE)의 처음으로 전역적 일반상대론적 유체역학(GRHD) 시뮬레이션을 제시한다. 이는 흐름-흐름 및 흐름-디스크 상호작용에 의해 질량 응집 디스크 형성이 유도되며, 약 20%의 물질이 응축되며, 자가 교차가 주기적인 플레어와 비틀림 디스크(e ≈ 0.88)를 유도하는 것으로 밝혀졌다. 기울어진 궤도는 노드 진동에 의해 부분적인 교차를 겪으며 여전히 디스크를 형성한다.

ABSTRACT

When a star passes close to a supermassive black hole (BH), the BH's tidal forces rip it apart into a thin stream, leading to a tidal disruption event (TDE). In this work, we study the post-disruption phase of TDEs in general relativistic hydrodynamics (GRHD) using our GPU-accelerated code H-AMR. We carry out the first grid-based simulation of a deep-penetration TDE ($β$=7) with realistic system parameters: a black-hole-to-star mass ratio of $10^6$, a parabolic stellar trajectory, and a nonzero BH spin. We also carry out a simulation of a tilted TDE whose stellar orbit is inclined relative to the BH midplane. We show that for our aligned TDE, an accretion disk forms due to the dissipation of orbital energy with $\sim$20 percent of the infalling material reaching the BH. The dissipation is initially dominated by violent self-intersections and later by stream-disk interactions near the pericenter. The self-intersections completely disrupt the incoming stream, resulting in five distinct self-intersection events separated by approximately 12 hours and a flaring in the accretion rate. We also find that the disk is eccentric with mean eccentricity e$\approx$0.88. For our tilted TDE, we find only partial self-intersections due to nodal precession near pericenter. Although these partial intersections eject gas out of the orbital plane, an accretion disk still forms with a similar accreted fraction of the material to the aligned case. These results have important implications for disk formation in realistic tidal disruptions. For instance, the periodicity in accretion rate induced by the complete stream disruption may explain the flaring events from Swift J1644+57.

연구 동기 및 목표

• 실존적인 일반상대론적 유체역학(GRHD) 시뮬레이션에서 타원파괴 디스크의 형성 및 응축 역학을 조사하기 위해.
• 흐름-흐름 및 흐름-디스크 상호작용이 궤도 에너지를 소산시키고 디스크의 원형화를 가능하게 하는 데서 수행하는 역할을 규명하기 위해.
• 블랙홀 스핀과 궤도 기울기가 디스크 형성과 응축 효율성에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 충격 소산 메커니즘—특히 자가 교차와 페리세이트 노즐 충격—이 디스크 진화를 이끄는 데 얼마나 기여하는지 평가하기 위해.
• 이러한 메커니즘이 Swift J1644+57와 같은 관측된 플레어 TDE에 미치는 영향을 탐색하기 위해.

제안 방법

• β=7이며 블랙홀 질량이 10^6 M☉인 깊이 침투한 TDE를 모델링하기 위해 GPU 가속 기반의 H-AMR 코드를 사용하여 전역적 GRHD 시뮬레이션을 수행하였다.
• 블랙홀 스핀축에 대해 정렬된 및 기울어진 별 궤도를 모두 시뮬레이션하였으며, 실존적인 별의 구조와 일반상대론적 중력장을 포함하였다.
• 자기 교차와 흐름-디스크 상호작용를 통해 에너지 소산 메커니즘을 추적하였으며, 충격 형성과 엔트로피 생성을 분석하였다.
• 충격 및 디스크 구조와 같은 고기울기 영역을 해상도를 높이기 위해 적응형 메쉬 분할(AMR)을 사용하였으며, 다중 수준의 정밀도를 적용하였다.
• 응축률, 디스크 이심률, 속도 프로파일을 분석하여 원형화와 열기구지지력의 정도를 정량화하였다.
• 해석적 모델과 이전 뉴턴역학 시뮬레이션, 특히 후류율 분포율에 대한 ZEBRA 모델과 결과를 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 흐름-흐름 및 흐름-디스크 상호작용은 상대론적 TDE에서 에너지 소산과 디스크 형성에 어떻게 기여하는가?
• RQ2 별의 파편 중 약 몇 퍼센트가 블랙홀에 응축되며, 이는 궤도 기울기와 블랙홀 스핀에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ3 자기 교차와 노즐 충격은 타원파괴 파편의 원형화에 얼마나 기여하는가?
• RQ4 기울어진 궤도에서의 노드 진동은 디스크 형성의 효율성과 형태에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 열기구지지력 기울기는 형성된 응축 디스크의 속도 프로파일과 이심률을 어떻게 형성하는가?

주요 결과

• 별 파편의 약 20%가 블랙홀에 응축되며, 관측된 TDE 응축률과 일치한다.
• 응축 디스크는 평균 이심률 e ≈ 0.88를 보이며, 에너지 소산에도 불구하고 강한 비원형 운동을 나타낸다.
• 자기 교차는 약 12시간 간격으로 다섯 번의 별도 사건으로 발생하며, 궤도 에너지의 초도 소산을 담당한다.
• 초기 자기 교차가 진정된 후, 페리세이트 근처의 흐름-디스크 상호작용이 주요 에너지 소산 메커니즘으로 부상한다.
• 기울어진(기울어진) 궤도는 노드 진동에 의해 부분적인 자기 교차를 겪으며 여전히 응축 디스크를 형성하며, 정렬된 경우와 유사한 응축 비율을 보인다.
• 열기구지지력 기울기는 케플러 속도에서 궤도 속도를 크게 감소시켜 중력에 대비하여 디스크를 지지하고, 비케플러 속도 프로파일을 형성한다.