[논문 리뷰] Tidal Disruption Event Demographics with the Zwicky Transient Facility: Volumetric Rates, Luminosity Function, and Implications for the Local Black Hole Mass Function

Yuhan Yao, Vikram Ravi외 27명|arXiv (Cornell University)|2023. 03. 12.

Pulsars and Gravitational Waves Research인용 수 14

한 줄 요약

논문은 ZTF에서 33개의 광학적으로 선택된 TDE의 플럭스-제한된, 분광학적으로 완전한 샘플을 구축하고, rest-frame g-band 광도 함수와 TDE 유래 블랙홀 질량 함수를 도출하며, 지역 블랙홀 개체에 대한 시사점을 논의한다.

ABSTRACT

We conduct a systematic tidal disruption event (TDE) demographics analysis using the largest sample of optically selected TDEs. A flux-limited, spectroscopically complete sample of 33 TDEs is constructed using the Zwicky Transient Facility over three years (from October 2018 to September 2021). We infer the black hole (BH) mass ($M_{ m BH}$) with host galaxy scaling relations, showing that the sample $M_{ m BH}$ ranges from $10^{5.1}\,M_\odot$ to $10^{8.2}\,M_\odot$. We developed a survey efficiency corrected maximum volume method to infer the rates. The rest-frame $g$-band luminosity function (LF) can be well described by a broken power-law of $ϕ(L_g)\propto [(L_g / L_{ m bk})^{0.3} + (L_g / L_{ m bk})^{2.6}]^{-1}$, with $L_{ m bk}=10^{43.1}\,{ m erg\,s^{-1}}$. In the BH mass regime of $10^{5.3}\lesssim (M_{ m BH}/M_\odot) \lesssim 10^{7.3}$, the TDE mass function follows $ϕ(M_{ m BH})\propto M_{ m BH}^{-0.25}$, which favors a flat local BH mass function ($dn_{ m BH}/d{ m log}M_{ m BH}\approx{ m constant}$). We confirm the significant rate suppression at the high-mass end ($M_{ m BH}\gtrsim 10^{7.5}\,M_\odot$), which is consistent with theoretical predictions considering direct capture of hydrogen-burning stars by the event horizon. At a host galaxy mass of $M_{ m gal}\sim 10^{10}\,M_\odot$, the average optical TDE rate is $\approx 3.2 imes 10^{-5}\,{ m galaxy^{-1}\,yr^{-1}}$. We constrain the optical TDE rate to be [3.7, 7.4, and 1.6$] imes 10^{-5}\,{ m galaxy^{-1}\,yr^{-1}}$ in galaxies with red, green, and blue colors.

연구 동기 및 목표

• ZTF over 3 years 동안 광학적으로 선택된 TDE의 플럭스-제한된, 분광학적으로 완전한 샘플을 구축한다.
• 호스트 은하의 스케일링 관계를 사용하여 블랙홀 질량을 추론하고 BH 질량 범위를 특성화한다.
• TDE의 rest-frame g-band 광도 함수를 도출하고 그 모양을 맞춘다.
• BH 질량 및 호스트 특성(색상 의존성 포함)에 따라 부피율을 계산한다.
• 지역 블랙홀 질량 함수 및 높은 BH 질량에서의 Hills 질량 관련 억제의 시사점을 논의한다.

제안 방법

• ZTF 핵 전이의 회고적, 다단계 필터링을 통해 완전한 TDE 후보 샘플을 구축한다.
• 최대 부피 방법을 통한 설문 효율 보정으로 부피율을 추정한다.
• UV/광학 빛곡선을 적합시켜 TDE의 에너지 방출과 시간 규모를 특징지운다.
• 호스트 은하 특성을 얻고 스케일링 관계를 사용해 M_BH를 추정한다.
• 분광학적 완전성 여부를 평가하고 붉은색, 녹색, 파란색 호스트에서의 비율을 정량화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 광학적으로 선택된 TDE의 rest-frame 광학(g-band) 광도 함수는 어떤 모습인가?
• RQ2 BH 질량의 함수로서의 부피 TDE 비율은 어떻게 되며 Hills 질량 고려에 따라 높은 M_BH에서 억제가 보이는가?
• RQ3 TDE 질량 함수가 지역 BHMF와 그 모양을 낮은 질량에서 어떻게 제약하는가?
• RQ4 호스트 은하 특성(예: 색상, 질량)이 광학 TDE 비율에 어떤 영향을 주는가?

주요 결과

• 샘플은 BH 질량이 대략 10^5.1에서 10^8.2 태양질량 범위의 33개의 TDE로 구성된다.
• Rest-frame g-band 광도 함수는 깨진 파워 법칙으로 잘 설명된다: phi(L_g) ∝ [(L_g/L_bk)^0.3 + (L_g/L_bk)^2.6]^{-1} with L_bk = 10^43.1 erg s^-1.
• BH 질량 범위 10^5.3 ≲ M_BH/M_sun ≲ 10^7.3에서 TDE 질량 함수는 phi(M_BH) ∝ M_BH^(-0.25)을 따르며, dN_BH/dlog M_BH에서 지역 BH 질량 함수가 대략 평탄함을 선호한다.
• 높은 질량 끝에서의 현저한 비율 억제가 관측되는데(M_BH ≳ 10^7.5 M_sun), 이는 사건지평선에서의 직접 포획 기대와 일치한다.
• “평균” 광학 TDE 비율은 M_gal ~ 10^10 M_sun 근처에서 대략 3.2×10^-5 은하^-1 yr^-1이며, 붉은색, 녹색, 파란색 호스트에서의 제약 비율은 각각 [3.7, 7.4, 1.6]×10^-5 은하^-1 yr^-1이다.