[论文解读] Tidal disruptions of rotating stars by a supermassive black hole

Kazuki Kagaya, S. Yoshida+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 17, 2019

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 5被引用 3

一句话总结

本研究利用光滑粒子流体动力学（SPH）模拟，探究恒星自转如何影响超大质量黑洞引起的潮汐破坏事件（TDE）。研究发现，自转方向与轨道角动量平行的恒星会产生能量较低的碎片，导致更早的质量回落和更快速上升的耀发；而自转方向相反的恒星则因碎片能量较高而延迟峰值。广义相对论效应进一步通过加深势阱促进早期质量下落。

ABSTRACT

We study tidal disruption events of rotating stars by a supermassive black hole in a galactic nucleus by using a smoothed-particle hydrodynamics (SPH) code. We compare mass infall rates of tidal-disruption debris of a non-rotating and of a rotating star when they come close to the supermassive black hole. Remarkably the mass distribution of debris bound to the black hole as a function of specific energy shows clear difference between rotating and non-rotating stars, even if the stellar rotation is far from the break-up limit. The debris of a star whose initial spin is parallel to the orbital angular momentum has a mass distribution which extends to lower energy than that of non-rotating star. The debris of a star with anti-parallel spin has a larger energy compared with a non-rotating counterpart. As a result, debris from a star with anti-parallel spin is bound more loosely to the black hole and the mass-infall rate rises later in time, while that of a star with a parallel spin is tightly bound and falls back to the black hole earlier. The different rising timescales of mass-infall rate may affect the early phase of flares due to the tidal disruptions. In the Appendix we study the disruptions by using a uniform-density ellipsoid model which approximately takes into account the effect of strong gravity of the black hole. We find the mass infall rate reaches its maximum earlier for strong gravity cases because the debris is trapped in a deeper potential well of the black hole.

研究动机与目标

• 研究恒星自转对TDE中潮汐破坏碎片质量分布及回落速率的影响。
• 量化初始恒星自转方向（与轨道角动量平行或反向）对破坏碎片能量分布的影响。
• 评估在超大质量黑洞附近强引力场对质量下落时间和耀发上升时间的影响。
• 比较牛顿引力与拟牛顿引力（Paczyński-Wiita）模型在模拟TDE动力学中的表现。
• 确定自转与强引力共同作用如何影响TDE中质量下落速率峰值时间。

提出的方法

• 在超大质量黑洞引力场中，使用光滑粒子流体动力学（SPH）模拟旋转恒星的潮汐破坏过程。
• 将恒星建模为轴对称椭球体，初始自转方向与轨道角动量对齐或反向，采用均匀密度椭球体近似。
• 计算破坏后流体元的特定能量 $E$，并从模拟输出中推导质量分布 $dM/dE$。
• 应用公式 (2) 将 $dM/dE$ 转换为质量下落速率 $dM/dT \propto T^{-5/3}$，建立能量分布与耀发光变曲线演化之间的联系。
• 将牛顿引力与拟牛顿势（Paczyński-Wiita）进行比较，以模拟强场广义相对论效应。
• 将近日点距离固定为潮汐半径的87%，并归一化初始恒星半径与中心温度以保证比较一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 恒星自转如何影响潮汐破坏碎片的特定能量分布？
• RQ2 自转方向（与轨道角动量平行或反向）对TDE中质量回落时间有何影响？
• RQ3 通过拟牛顿势模拟的广义相对论效应如何影响质量下落速率的上升时间？
• RQ4 与非旋转恒星相比，恒星自转在多大程度上改变了TDE光变曲线的峰值时间？
• RQ5 自转与强引力的联合效应如何改变回落速率分布，相较于牛顿模型？

主要发现

• 初始自转方向与轨道角动量平行的恒星产生特定能量较低的碎片，导致更早的质量回落和更快速上升的耀发。
• 自转方向相反的恒星产生能量更高的碎片，导致束缚更弱，质量下落速率的峰值相比非旋转恒星延迟。
• 拟牛顿势（模拟强引力）使质量下落速率的峰值早于牛顿模型，这是由于势阱更深。
• 在强引力（拟牛顿）模型中，最大质量下落速率出现得更早，峰值时间 $T_{\rm max}$ 相比牛顿情况减少约10%。
• 在强引力条件下，自转平行与反向情况下的 $T_{\rm max}$ 差异减小，表明相对论效应抑制了自转引起的不对称性。
• 对于质量为 $4M_{\odot}$、轴比为 0.95（自转参数 $T/W = 1.36 \times 10^{-2}$）的恒星，自转引起的 $T_{\rm max}$ 延迟显著且可在光变曲线中被探测到。