[论文解读] "Circularization" vs. Accretion -- What Powers Tidal Disruption Events?

Tsvi Piran, Gilad Svirski+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 20, 2015

High-Velocity Impact and Material Behavior参考文献 2被引用 6

一句话总结

本文提出，潮汐撕裂事件（TDEs）中的光学光度并非由黑洞吸积供能，而是由潮汐碎片的圆形化过程中的能量耗散所驱动。模拟显示，圆形化发生在距离黑洞约10^15 cm处，释放功率约10^44 erg/s，该机制比标准吸积模型更能合理解释观测到的TDE光变曲线、温度、辐射半径和线宽。

ABSTRACT

A tidal disruption event (TDE) takes place when a star passes near enough to a massive black hole to be disrupted. About half the star's matter is given elliptical trajectories with large apocenter distances, the other half is unbound. To "circularize", i.e., to form an accretion flow, the bound matter must lose a significant amount of energy, with the actual amount depending on the characteristic scale of the flow measured in units of the black hole's gravitational radius ($\sim 10^{51} (R/1000R_g)^{-1}$~erg). Recent numerical simulations \citep{Shiokawa+2015} have revealed that the circularization scale is close to the scale of the most-bound initial orbits, $\sim 10^3 M_{BH,6.5}^{-2/3} R_g \sim 10^{15} M_{BH,6.5}^{1/3}$~cm from the black hole, and the corresponding circularization energy dissipation rate is $\sim 10^{44} M_{BH,6.5}^{-1/6}$~erg/s. We suggest that the energy liberated during circularization, rather then energy liberated by accretion onto the black hole, powers the observed optical TDE candidates. The observed rise times, luminosities, temperatures, emission radii, and line widths seen in these TDEs \citep[e.g.][]{Arcavi+2014} are all more readily explained in terms of heating associated with circularization than in terms of accretion.

研究动机与目标

• 解决观测到的光学TDE与经典吸积主导型TDE模型之间的矛盾。
• 探究为何观测到的TDE光度较低、温度较冷、辐射半径较大，与标准吸积模型的预测不符。
• 检验潮汐碎片圆形化过程中的能量耗散是否能解释观测到的光学光变曲线和光谱特征。
• 挑战‘黑洞吸积是光学TDE主要能量来源’的假设。
• 为光学TDE候选体中观测到的上升时间、光度和动力学特性提供物理解释。

提出的方法

• 利用数值模拟（Shiokawa et al., 2015）确定被破坏恒星的潮汐碎片的圆形化尺度。
• 利用最绑定轨道的特征尺度（约10^15 M_{BH,6.5}^{1/3} cm）计算圆形化过程中的能量耗散率。
• 将圆形化加热产生的预测光度、温度、辐射半径和线宽与观测到的TDE特性进行比较。
• 分析圆形化能量耗散率（约10^44 M_{BH,6.5}^{-1/6} erg/s）作为主导能量来源。
• 评估竞争性模型（光子捕获、超爱丁顿风、线驱动外流）并发现其与观测不一致。
• 应用观测诊断方法，如光度衰减、温度和线加宽，以检验模型预测。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何观测到的光学TDE光度低于标准吸积模型的预测值，且温度更冷？
• RQ2 为何光学TDE中推断的辐射半径远大于吸积盘的预期值（~10^15 cm）？
• RQ3 为何观测到的线宽（~10,000 km/s）显著小于在R_T处吸积盘预期的线宽？
• RQ4 潮汐碎片圆形化过程中的能量耗散是否能解释观测到的光变曲线和光谱特征？
• RQ5 何种机制可在不依赖超爱丁顿吸积或极端消光的情况下，解释观测到的光学TDE能量输出？

主要发现

• 潮汐碎片的圆形化尺度约为10^15 M_{BH,6.5}^{1/3} cm，接近最绑定轨道半径，对应能量耗散率约为10^44 M_{BH,6.5}^{-1/6} erg/s。
• 圆形化加热产生的光度足以驱动观测到的光学TDE，峰值光度约为10^43–10^44 erg/s，与观测一致。
• 圆形化产生的有效温度约20,000–30,000 K，辐射半径约10^15 cm，与观测到的TDE特性一致。
• 观测到的线加宽（~10,000 km/s）与圆形化尺度的动力学一致，而非吸积盘在R_T处预期的更宽线型。
• 标准吸积模型无法解释观测数据：预测光度过高、温度过热、辐射半径过小。
• 替代模型（如光子捕获、超爱丁顿风、线驱动外流）因与观测光变曲线和光谱特性不一致而被排除。