[论文解读] Tidal Disruption Event Demographics with the Zwicky Transient Facility: Volumetric Rates, Luminosity Function, and Implications for the Local Black Hole Mass Function

Yuhan Yao, Vikram Ravi+27 more|arXiv (Cornell University)|Mar 12, 2023

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 14

一句话总结

该论文从 ZTF 构建一个 flux-limited、光谱学完全的光学选择 TDE 样本，推导 rest-frame g-band 光度函数和一个 TDE 驱动的黑洞质量函数，并讨论对局部黑洞种群的含义。

ABSTRACT

We conduct a systematic tidal disruption event (TDE) demographics analysis using the largest sample of optically selected TDEs. A flux-limited, spectroscopically complete sample of 33 TDEs is constructed using the Zwicky Transient Facility over three years (from October 2018 to September 2021). We infer the black hole (BH) mass ($M_{ m BH}$) with host galaxy scaling relations, showing that the sample $M_{ m BH}$ ranges from $10^{5.1}\,M_\odot$ to $10^{8.2}\,M_\odot$. We developed a survey efficiency corrected maximum volume method to infer the rates. The rest-frame $g$-band luminosity function (LF) can be well described by a broken power-law of $ϕ(L_g)\propto [(L_g / L_{ m bk})^{0.3} + (L_g / L_{ m bk})^{2.6}]^{-1}$, with $L_{ m bk}=10^{43.1}\,{ m erg\,s^{-1}}$. In the BH mass regime of $10^{5.3}\lesssim (M_{ m BH}/M_\odot) \lesssim 10^{7.3}$, the TDE mass function follows $ϕ(M_{ m BH})\propto M_{ m BH}^{-0.25}$, which favors a flat local BH mass function ($dn_{ m BH}/d{ m log}M_{ m BH}\approx{ m constant}$). We confirm the significant rate suppression at the high-mass end ($M_{ m BH}\gtrsim 10^{7.5}\,M_\odot$), which is consistent with theoretical predictions considering direct capture of hydrogen-burning stars by the event horizon. At a host galaxy mass of $M_{ m gal}\sim 10^{10}\,M_\odot$, the average optical TDE rate is $\approx 3.2 imes 10^{-5}\,{ m galaxy^{-1}\,yr^{-1}}$. We constrain the optical TDE rate to be [3.7, 7.4, and 1.6$] imes 10^{-5}\,{ m galaxy^{-1}\,yr^{-1}}$ in galaxies with red, green, and blue colors.

研究动机与目标

• 在 3 年内，从 ZTF 构建一个 flux-limited、光谱学完全的光学选择 TDE 样本。
• 利用尺度关系推断宿主星系的黑洞质量，描述 BH 质量范围。
• Derive the rest-frame g-band luminosity function of TDEs and fit its shape.
• 计算作为 BH 质量及宿主性质（包括颜色依赖）变化的 TDE 容积率。
• 讨论对局部黑洞质量函数及在高 BH 质量处由 Hills mass 相关抑制的含义。

提出的方法

• 对 ZTF 核发光瞬变事件进行回顾性、多步骤筛选，以建立一个完整的 TDE 候选样本。
• 通过最大体积方法应用调查效率校正以推断体积率。
• 进行 UV/光学光变曲线拟合以表征 TDE 的能量学与时间尺度。
• 获取宿主星系特性并使用尺度关系估计 M_BH。
• 评估光谱完备性并量化红色、绿色和蓝色宿主星系中的率。

实验结果

研究问题

• RQ1 光学选取的 TDE 的 rest-frame 光学（g-band）光度函数是什么？
• RQ2 作为黑洞质量的函数，TDE 的体积密度率是多少，是否在高 M_BH 时如 Hills mass 考量所预测的那样出现抑制？
• RQ3 TDE 的质量函数如何约束局部黑洞质量函数（BHMF）及其在低质量端的形状？
• RQ4 宿主星系特性（例如颜色、质量）如何影响光学 TDE 速率？

主要发现

• 该样本包含 33 个 TDE，其 BH 质量大致跨越 10^5.1 至 10^8.2 的太阳质量。
• rest-frame g-band 光度函数可被一个断裂幂律很好描述：phi(L_g) ∝ [(L_g/L_bk)^0.3 + (L_g/L_bk)^2.6]^{-1}，其中 L_bk = 10^43.1 erg s^-1。
• 在 BH 质量区间 10^5.3 ≲ M_BH/M_sun ≲ 10^7.3，TDE 质量函数遵循 phi(M_BH) ∝ M_BH^(-0.25)，倾向于在 dN_BH/dlog M_BH 处实现大致平坦的局部 BH 质量函数。
• 在高质量端存在显著的速率抑制（M_BH ≳ 10^7.5 M_sun），与在事件视界处的直接捕获预期一致。
• 在接近 M_gal ~ 10^10 M_sun 时的“平均”光学 TDE 速率约为 ~3.2×10^-5 galaxy^-1 yr^-1，红色、绿色和蓝色宿主中的约束速率分别为：[3.7, 7.4, 1.6]×10^-5 galaxy^-1 yr^-1。