[论文解读] Hydrodynamics of Collisions and Close Encounters between Stellar Black Holes and Main-sequence Stars

Kyle Kremer, James C. Lombardi+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 28, 2022

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 117被引用 43

一句话总结

本研究利用光滑粒子流体动力学（SPH）模拟，对恒星级黑洞与主序星在广泛范围的相遇参数下的近距离相遇进行建模。研究识别出三种主要结果——完全破坏、部分破坏并产生逃逸碎片，以及通过多次近日点掠过实现的潮汐捕获——并表明在致密星团中这些过程的发生率相近，对电磁暂现源和黑洞质量增长具有重要意义。

ABSTRACT

Recent analyses have shown that close encounters between stars and stellar black holes occur frequently in dense star clusters. Depending upon the distance at closest approach, these interactions can lead to dissipating encounters such as tidal captures and disruptions, or direct physical collisions, all of which may be accompanied by bright electromagnetic transients. In this study, we perform a wide range of hydrodynamic simulations of close encounters between black holes and main-sequence stars that collectively cover the parameter space of interest, and we identify and classify the various possible outcomes. In the case of nearly head-on collisions, the star is completely disrupted with roughly half of the stellar material becoming bound to the black hole. For more distant encounters near the classical tidal-disruption radius, the star is only partially disrupted on the first pericenter passage. Depending upon the interaction details, the partially disrupted stellar remnant may be tidally captured by the black hole or become unbound (in some cases, receiving a sufficiently large impulsive kick from asymmetric mass loss to be ejected from its host cluster). In the former case, the star will undergo additional pericenter passages before ultimately being disrupted fully. Based on the properties of the material bound to the black hole at the end of our simulations (in particular, the total bound mass and angular momentum), we comment upon the expected accretion process and associated electromagnetic signatures that are likely to result.

研究动机与目标

• 系统映射恒星级黑洞与主序星在相关参数空间内近距离相遇的流体动力学结果。
• 量化不同相遇类型下被黑洞束缚的恒星物质比例及其角动量分布。
• 评估这些相互作用可能产生的电磁暂现源特征，尤其在像薇拉·鲁宾天文台这样的光学和X射线望远镜背景下的表现。
• 评估黑洞在致密恒星环境中的质量增长潜力，特别是通过吸积被破坏的恒星物质。
• 为将潮汐破坏（TDE）和碰撞物理纳入星团N体模拟提供基础，包括未来的反馈和吸积效应。

提出的方法

• 使用StarSmasher代码开展全面的光滑粒子流体动力学（SPH）模拟，以模拟黑洞-主序星相互作用。
• 变化关键参数：黑洞质量（10–30 M⊙）、恒星质量（0.5–20 M⊙）、多级指数（以表示恒星结构），以及近日点距离（从正面碰撞到远距离相遇）。
• 模拟从直接碰撞到接近经典潮汐半径处的潮汐破坏的完整撞击参数范围。
• 分析系统的最终状态，以确定束缚质量、角动量以及碎片的喷射比例。
• 利用结果估算标准粘性盘模型和爱丁顿极限吸积物理下的吸积 timescales 和光度。
• 基于模拟统计结果估算不同结果的事件率，并与星团N体模拟的预测进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 恒星级黑洞与主序星近距离相遇中，主导的流体动力学结果（完全破坏、部分破坏、潮汐捕获、碰撞）是什么？
• RQ2 有多少恒星物质会成为黑洞的束缚物质？其角动量和质量分布如何？
• RQ3 这些事件预期的电磁暂现源特征是什么——特别是X射线和光学/紫外波段？
• RQ4 在真实的星团环境中，完全破坏、部分破坏并产生未束缚残余物，以及潮汐捕获的速率如何比较？
• RQ5 吸积反馈在多大程度上会将碎片重新解绑？这又如何影响暂现源的观测光度和持续时间？

主要发现

• 近乎正面碰撞导致恒星完全破坏，约一半的恒星物质成为黑洞的束缚物质。
• 在接近经典潮汐破坏半径的相遇中，恒星在首次近日点掠过时仅被部分破坏，残余物可能成为未束缚状态或被潮汐捕获。
• 被潮汐捕获的残余物会经历多次近日点掠过，最终完全破坏，可能在数天至数年的 timescale 内引发重复吸积耀发。
• 对于低质量恒星，束缚总质量范围为0.05至0.5 M⊙，在标准吸积假设下，X射线波段的峰值光度估计约为~10^44 erg/s。
• 大量吸积能量可能通过吸积盘风重新处理为明亮的光学/紫外暂现源，具体取决于吸积物理机制。
• 在本地宇宙中，完全破坏、部分破坏并产生未束缚碎片，以及潮汐捕获的相对速率预计相近，差异在较小因子范围内。