[论文解读] 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 9

一句话总结

本文提出，矮星系和星团中质量为10⁴–10⁵ M☉的中等质量黑洞对白矮星的潮汐撕裂事件，为研究致密天体形成、恒星动力学和吸积物理提供了一个强大的多信使窗口。LISA探测引力波与LSST探测电磁耀发相结合，将实现早期预警、质量与自旋测量，并检验超爱丁顿吸积模型，乐观预测在本地宇宙中每年可观测到数十起此类事件。

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.

研究动机与目标

• 探索中等质量黑洞对白矮星的潮汐撕裂事件作为研究致密天体分布与星系演化新探针的潜力。
• 评估即将开展的电磁巡天（LSST）与低频引力波探测器（LISA）在探测和表征此类事件方面的协同效应。
• 利用电磁与引力波数据的结合，测试超爱丁顿吸积模型并实现宇宙学距离测量。
• 强调需发展先进的计算基础设施，以在相对论、磁流体动力学框架下模拟碎屑动力学、吸积流与事件率。

提出的方法

• 采用包含辐射-物质耦合与超爱丁顿吸积流的相对论性磁流体动力学模拟，研究白矮星的潮汐撕裂过程。
• 利用恒星动力学计算，预测中等质量黑洞所在星系核中白矮星的事件率。
• 基于LISA在10–100 mHz频段的灵敏度曲线，估算白矮星螺旋进入10⁴–10⁵ M☉黑洞的引力波探测率。
• 将LSST的电磁光曲线与引力波数据结合，独立于宇宙距离阶梯推断黑洞质量、自旋与距离。
• 应用潮汐撕裂半径公式 Rₜ ≈ (M•/m*)¹ᐟ³ r*，确定白矮星可观测撕裂阈值。
• 基于巡天深度与体积预测探测率，假设LSST将在 z ≲ 0.1 范围内每年探测到约12起白矮星撕裂事件。

实验结果

研究问题

• RQ1 在本地宇宙中，中等质量黑洞对白矮星的潮汐撕裂事件预期发生率是多少？LSST将如何探测这些事件？
• RQ2 LISA的引力波观测如何为这些事件提供早期预警，并实现精确的质量与自旋测量？
• RQ3 电磁与引力波数据在多大程度上能联合约束超爱丁顿吸积模型及向亚爱丁顿吸积的过渡？
• RQ4 白矮星的潮汐撕裂能否作为独立于标准距离阶梯的宇宙学距离指示器？
• RQ5 为实现相对论性、辐射流体动力学精度的完整螺旋进入与撕裂过程建模，需要何种计算基础设施？

主要发现

• LSST预计每年可探测约十余起白矮星潮汐撕裂事件，显著扩大研究中等质量黑洞的样本规模。
• LISA可在白矮星撕裂前约一年探测到其螺旋进入10⁵ M☉黑洞的引力波信号，为电磁波后续观测提供早期预警。
• 白矮星螺旋进入的体积探测率较为乐观，在 z ≈ 0.1 范围内预计每年可观测到数十起引力波事件。
• 引力波观测将提供精确的黑洞质量与自旋参数，有助于检验中等质量黑洞的形成与增长模型。
• 结合电磁与引力波数据可独立测量哈勃常数，填补恒星级与超大质量黑洞并合之间在红移上的空白。
• 探测到白矮星的氢缺乏吸积耀发，将检验宽范围爱丁顿比率下的超爱丁顿吸积流模型。