超大质量双黑洞潮汐撕裂恒星的理论和观测研究

Supermassive black hole (SMBH) binaries (SMBHBs) are expected by the hierarchical galaxy formation model in cold dark matter cosmology and the observations of SMBHs in almost all galaxies. Because the detections and observations of SMBHBs in normal galaxies are extremely challenging and extremely difficult, the present survey and observations of SMBHBs have been focusing on active galactic nuclei (AGNs). Following the successful detection of the first SMBHB candidate in normal galaxies with stellar tidal disruption flare (TDE) recently made by our group, we propose to investigate the evolution of TDE rates as a function of the separation of the SMBHs from dozens of kilo-parsec to the final coalescence of the SMBHs in galaxy mergers, the dependences of TDEs both on the non-spherical nuclear structures and the tidal migrations of the stellar orbits in SMBHB systems, and the TDE rates in the galaxies of triple or more SMBHs. We plan to calculate the relative contributions of the SMBHB and multiple SMBH systems to the cosmic TDE events and provide the theoretical backgrounds for the survey of SMBHB systems with TDEs in the future transient surveys of LSST, Pan STARR, SVOM, EP, and MAXI and for the identification of the gravitational wave sources for eLISA and PTAs.

超大质量双黑洞（简称双黑洞）是大质量星系中普遍存在超大质量黑洞的观测结合冷暗物质宇宙学星系等级形成理论预言的结果。由于对正常星系中双黑洞的观测极端挑战和极端困难，因此目前对双黑洞的巡天和观测都集中针对活动星系核进行。在我们最近成功利用黑洞潮汐撕裂恒星产生的耀斑(简称TDE)发现正常星系中第一例双黑洞的鼓舞下，我们在本项目中计划研究在星系并合过程中TDE发生率随双黑洞由几十kpc的间距到最终并合的演化、显著影响双黑洞演化的非球对称星系核结构及恒星轨道潮汐迁移对TDE发生率的影响、三黑洞或多黑洞星系中TDEs事件的发生率等。通过分析已有TDE观测数据，我们还将尝试在正常星系中发现更多双黑洞系统。我们期望通过本项目的研究，获得双黑洞系统和多黑洞系统对宇宙TDE事件的相对贡献，为未来LSST、Pan STARR、SVOM、EP以及MAXI等的暂变源巡天探测双黑洞、以及为发现eLISA和PTA的强引力波辐射源提供理论依据。

自从2015年LIGO探测到第一例恒星级双黑洞并合产生的引力波暴发以来，LIGO和Virgo已探测到多个来自恒星级大质量双黑洞并合产生的引力波暴发事件。由于缺少电磁辐射对应体的观测，这些恒星级大质量双黑洞的起源及其物理仍然是一个谜。而建造中的引力波空间天文台LISA和正在开展的引力波探测项目“脉冲星计时阵（PTA）“将在未来探测到大量的星系中静宁超大质量双黑洞。因此，对目前唯一有效探测星系中静宁超大质量双黑洞的TDE现象展开研究，对未来LISA和PTA引力波双黑洞源及引力波天体物理和引力波宇宙学都具有重要意义。在项目支持下，我们（1）通过直接N-体数值模拟研究了质量相同星系并合过程中，双黑洞潮汐撕裂恒星率随双黑洞间距的演化，研究了非束缚双黑洞、恒星散射主导自引力束缚双黑洞以及引力波辐射硬态双黑洞对恒星的潮汐撕裂率，并与散射实验和理论数值计算结果进行对比，研究了不同状态之间过渡的双黑洞对恒星的潮汐撕裂效应；（2）通过直接N-体数值模拟了质量不等双黑洞在星系并合过程中对恒星的潮汐撕裂率及其随双黑洞间距的演化，研究了恒星潮汐撕裂率对双黑洞质量比的依赖；（3）通过物理建模和光谱分析，对TDE源PTF09djl有双峰结构的光学宽发射线进行研究，提出和建立了TDE中光学宽发射线起源于吸积盘的模型，对TDE光学发射线系列令人困惑的观测特性提出了解释；（4）通过对TDE源PTF09djl和ASASSN-14li光学宽发射线轮廓的吸积盘模型拟合，发现TDE中吸积盘具有非常大的半主轴、极端高的椭率和极小的近心点，这是首次从观测上对TDE中吸积盘结构的限制，这些盘都形成于星飞越黑洞时被黑洞的潮汐撕裂，其轨道近心点与理论预期一致；（5）通过对ASASSN-14li宽发射线轮廓随时间变化的研究，测量了黑洞吸积盘的Lens-Thirring进动效应。以上研究及其结论，为今后进一步研究TDE的观测特性，进而进一步通过观测TDE事件研究黑洞和超大质量双黑洞等具有重要意义。