[论文解读] Partial, zombie, and full tidal disruption of stars by supermassive black holes

C. J. Nixon, Eric R. Coughlin+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 9, 2021

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 124被引用 43

一句话总结

本研究通过长时间的流体动力学模拟研究了具有真实恒星结构的潮汐撕裂事件（TDEs），发现完全撕裂事件的后期回落率幂律指数为 n∞ ≃ −5/3，而部分撕裂事件的指数为 n∞ ≃ −9/4。在临界近日点附近的撕裂事件中，碎片可能因自引力作用重新坍缩形成具有微弱正能量的“僵尸”核心，导致回落指数在约100年内由−9/4演化至−5/3，凸显了自引力与长期演化在TDE中的关键作用。

ABSTRACT

We present long-duration numerical simulations of the tidal disruption of stars modelled with accurate stellar structures and spanning a range of pericentre distances, corresponding to cases where the stars are partially and completely disrupted. We substantiate the prediction that the late-time power-law index of the fallback rate $n_{\infty} \simeq -5/3$ for full disruptions, while for partial disruptions---in which the central part of the star survives the tidal encounter intact---we show that $n_{\infty} \simeq -9/4$. For the subset of simulations where the pericenter distance is close to that which delineates full from partial disruption, we find that a stellar core can reform after the star has been completely destroyed; for these events the energy of the zombie core is slightly positive, which results in late-time evolution from $n \simeq -9/4$ to $n \simeq -5/3$. We find that self-gravity can generate an $n(t)$ that deviates from $n_{\infty}$ by a small but significant amount for several years post-disruption. In one specific case with the stellar pericenter near the critical value, we find self-gravity also drives the re-collapse of the central regions of the debris stream into a collection of several cores while the rest of the stream remains relatively smooth. We also show that it is possible for the surviving stellar core in a partial disruption to acquire a circumstellar disc that is shed from the rapidly rotating core. Finally, we provide a novel analytical fitting function for the fallback rates that may also be useful in a range of contexts beyond TDEs.

研究动机与目标

• 研究具有精确恒星结构的潮汐撕裂事件（TDEs）中后期回落率的演化。
• 确定自引力与恒星结构如何影响回落率的幂律指数。
• 探索在接近临界撕裂距离时，完全撕裂的恒星碎片重新坍缩形成“僵尸”核心的形成与演化过程。
• 研究部分TDE中幸存恒星核心周围可能形成的星周盘及其成因与寿命。
• 开发一种适用于TDE之外场景的新型解析拟合函数，用于描述TDE的回落率。

提出的方法

• 使用SPHINX光滑粒子流体动力学（SPH）代码，结合MESA恒星演化代码提供的精确恒星结构，开展长时间、三维的流体动力学模拟。
• 模拟了初始质量为1M⊙ ZAMS、1M⊙ MAMS和0.3M⊙ MAMS的恒星，在抛物线轨道上以不同近日点距离（β ≈ 1.0–3.0）进行的TDE。
• 采用一种新型解析拟合函数（公式2）对回落率进行建模，仅需少量参数，从而实现与模拟数据的稳健对比。
• 追踪超过100年的回落率及其瞬时幂律指数n(t)，以捕捉后期演化特征。
• 分析自引力在临界撕裂阈值附近促使碎片坍缩为一个或多个核心过程中的作用。
• 量化幸存核心相对于黑洞的能量，以评估其长期轨道命运与回落演化行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 完全撕裂与部分撕裂事件的后期回落率幂律指数分别为何？
• RQ2 当近日点接近临界撕裂距离时，完全撕裂的恒星碎片是否可能因自引力作用重新坍缩为束缚核心（“僵尸”核心）？
• RQ3 自引力如何影响TDE中的回落率演化，特别是在接近撕裂阈值的系统中？
• RQ4 部分TDE中幸存的恒星核心是否可能获得星周盘？其成因与寿命如何？
• RQ5 是否能用一个简单的解析函数准确拟合不同撕裂模式下TDE的回落率光曲线？

主要发现

• 对于完全撕裂事件，回落率的幂律指数最终趋于 n∞ ≃ −5/3，与经典理论一致。
• 对于部分撕裂事件，当恒星核心完整幸存时，其后期回落指数为 n∞ ≃ −9/4，且与核心质量分数无关。
• 在接近临界撕裂的事件中（β ≈ βc），碎片可重新坍缩为单个“僵尸”核心，其能量略为正值，导致n(t)在约100年内由≈−9/4演化至≈−5/3。
• 对于β ≈ 1.61和1.70，回落率演化表现出从n ≈ −9/4到n ≈ −5/3的过渡，该过渡时间与理论估算的Tϵ ≈ 87–190年一致。
• 即使在β高达临界值两倍的情况下，自引力仍显著影响回落率，尤其在低质量恒星（0.3M⊙ MAMS）中，其驱动碎片重新坍缩并改变回落分布。
• 部分TDE中幸存的恒星核心可通过快速旋转核心的赤道喷射及来自束缚碎片流的持续供给，形成星周盘，可能产生可观测的盘辐射。