使用N体数值模拟方法研究超大质量黑洞对各类天体的潮汐瓦解

Tidal disruption (TD) of stars by supermassive black holes (SMBHs) opens a new window for studying SMBHs. Estimating the event rate is crucial for searching these events through survey observations. N-body simulation plays an important role in this researching field. Most of the studies done in the past have used equal-mass stars to construct the model star cluster in which the SMBH resides, and this is different from the real world. To eliminate this difference, in this project, we will use stars with different masses to construct the model clusters and also include the stellar evolution process. With these models we can study the following aspects: measure the TD rates for different type of stars in the simulation, also measure the rate of relativistic coalescence between compact remnants and the SMBH, finding out how does the event rates relate to the model setups and the cluster structures; by tracing the trajectory of disrupted stars, studying their orbital properties and the parameter distribution. We aim to derive an analytic scaling formula which can be used to estimate the TD rates (or coalescence rate) for different types of stars in real galactic center, find out the orbital parameter distribution and the physical reasons behind. These results could provide guidance to the survey plans, and a path to the further studies of TD phenomenon.

黑洞潮汐瓦解恒星现象为研究超大质量黑洞打开了一扇新窗口，了解其事件发生率对通过观测系统性地搜寻这种事件具有重要的指导意义。N体模拟是研究潮汐瓦解率的重要手段。过往的工作中，基本上都使用等质量恒星来构造超大质量黑洞所居的宿主星团，这与现实存在很大差距。为消除这一差距，本项目拟使用不同质量的恒星来构造宿主星团模型，并加入恒星演化过程，研究内容主要有：测量数值模拟中的超大质量黑洞对不同类型恒星的潮汐瓦解率，以及与致密天体的相对论性并合率，揭示它们与模型参数、星团结构的关系；通过跟踪被瓦解恒星的空间轨迹，研究它们的轨道性质以及参数分布。本项目的研究目标是推导解析公式，用来预测真实星系中心超大质量黑洞对不同类型天体的潮汐瓦解（相对论性并合）率；找出被瓦解恒星的轨道参数分布规律，构造理论模型来解释其成因。这些成果将为观测计划的制定提供指导，也将为进一步研究潮汐瓦解现象打下基础。

超大质量黑洞潮汐瓦解恒星事件可以激活休眠的大质量黑洞，用于研究黑洞及其宿主星系的性质。光变曲线是证认潮汐瓦解事件（TDE）的关键证据，它很大程度上取决于恒星被瓦解后的物质回落率。最近的研究显示物质回落率受被瓦解恒星的轨道参数的调制，主要包括轨道偏心率e以及穿透因子β。人们对轨道参数分布规律知之甚少，本项目的目标是研究被瓦解恒星的e和β分布规律。首先通过N体数值模拟，我们分别测量了被瓦解恒星的轨道参数分布n(e)和n(β)，发现被瓦解恒星在e-β参数空间内分布在一个有限的区域内。并发现β的分布范围受到e的调制。接着，我们从损失锥理论出发推导了e和β的理论分布模型，它可以很好地重现N体模拟结果。该模型还给出了被瓦解恒星在e-β参数空间内占据区域的边界，并解释e和β的分布范围之间的关系。我们的理论模型有两种应用：一、根据目标星团的密度分布和速度弥散计算出n(e)和n(β)，作为目标星团内的TDE轨道参数的概率分布。二、若观测上已经获得了TDE的e和β，将它们与理论模型给出的e-β参数空间分布区域的边界相比较，可推测出该TDE宿主星团的结构和动力学状态。