[论文解读] Disc formation from stellar tidal disruptions

Clément Bonnerot, Elena M. Rossi+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 19, 2015

Astrophysical Phenomena and Observations被引用 3

一句话总结

该论文通过流体动力学模拟表明，恒星碎屑在潮汐撕裂后，由于广义相对论的近日点进动，其在轨道 timescale 内发生圆化，导致流体自相交。若冷却效率高，则形成一个狭窄的、超爱丁顿吸积的环；若冷却被抑制，则形成一个由离心力支撑的环面，其在圆化过程中以超爱丁顿速率排出物质。

ABSTRACT

The potential of tidal disruption of stars to probe otherwise quiescent supermassive black holes cannot be exploited, if their dynamics is not fully understood. So far, the observational appearance of these events has been commonly derived from analytical extrapolations of the debris dynamical properties just after the stellar disruption. In this paper, we perform hydrodynamical simulations of stars in highly eccentric orbits, that follow the stellar debris after disruption and investigate their ultimate fate. We demonstrate that gas debris circularize on an orbital timescale because relativistic apsidal precession causes the stream to self-cross. The higher the eccentricity and/or the deeper the encounter, the faster is the circularization. If the internal energy deposited by shocks during stream self-interaction is readily radiated, the gas forms a narrow ring at the circularization radius. It will then proceed to accrete viscously at a super-Eddington rate, puffing up under radiation pressure. If instead cooling is impeded, the gas forms an extended, mostly centrifugally supported torus. In this case, however, the viscous timescale is comparable to the circularization timescale and the torus is being drained at a super-Eddington rate while forming.

研究动机与目标

• 理解恒星碎屑在高度偏心轨道上被潮汐撕裂后的动力学演化过程。
• 通过从第一性原理模拟碎屑演化，解决解析模型与实际观测到的潮汐撕裂事件之间的差异。
• 确定冷却效率如何影响碎屑最终结构和吸积速率。

提出的方法

• 对围绕超大质量黑洞运行在高度偏心轨道上的恒星进行三维流体动力学模拟。
• 追踪撕裂后碎屑的演化过程，包括激波加热和流体自相互作用的能量沉积。
• 模拟广义相对论的近日点进动，以捕捉导致流体自相交和圆化的物理机制。
• 通过调节冷却效率，对比存在快速能量辐射损失与不存在快速能量辐射损失时的演化结果。
• 采用黏性吸积模型评估圆化后的吸积速率和结构演化。
• 分析在不同物理条件下，碎屑形态和吸积动力学的演变特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 恒星碎屑在潮汐撕裂后多快发生圆化？其驱动力的物理机制是什么？
• RQ2 碎屑圆化后，其结构是形成狭窄环还是扩展环面，由什么决定？
• RQ3 冷却时标如何影响碎屑的吸积速率和结构稳定性？
• RQ4 在圆化阶段，碎屑的吸积速率是多少？是否超过爱丁顿极限？
• RQ5 当冷却效率低下时，辐射压如何影响吸积碎屑的演化？

主要发现

• 恒星碎屑由于广义相对论近日点进动，在轨道 timescale 内迅速圆化，该过程引发流体自相交。
• 更高的偏心率和更深的引力场相互作用可加速圆化过程。
• 高效的冷却导致在圆化半径处形成一个狭窄的、超爱丁顿吸积的环。
• 冷却被抑制时，会形成一个扩展的、由离心力支撑的环面，同时以超爱丁顿速率被排出物质。
• 当冷却效率低下时，黏性时标与圆化时标相当，导致环面形成与吸积过程同步发生。
• 当冷却迅速时，辐射压导致吸积物质膨胀，从而改变吸积几何结构。