Hydrodynamical simulation of wind production from hot accretion flows in tidal disruption events

Technische Samenvatting: Hydrodynamische simulatie van windproductie uit hete accretiestromen in getijdenverstoringsevenementen

Probleemstelling
Hoewel winden uit super-Eddington accretiefasen in getijdenverstoringsevenementen (TDE's) goed zijn bestudeerd, blijven de eigenschappen van winden uit de daaropvolgende, langdurige sub-Eddington-fase onderbelicht. In dit late stadium gaat de accretiestroom over van een standaard dunne schijf naar een hete accretiestroom (bijvoorbeeld een Advection-Dominated Accretion Flow, ADAF). Hoewel winden uit hete accretiestromen in Actieve Galactische Kernen (AGN) en Röntgendubbelsters (XRB's) uitgebreid zijn gemodelleerd, vertonen TDE's een duidelijk ander fysiek scenario: sterresten worden direct in de onmiddellijke omgeving van het zwarte gat geïnjecteerd, waardoor een tijdelijke, compacte stroom ontstaat in plaats van een constante toevoer vanuit grote afstanden. Dit artikel onderzoekt de vorming en eigenschappen van winden in dit specifieke sub-Eddington TDE-regime, met een focus op hoe de massa van het zwarte gat, de viscositeit ($\alpha$) en de temperatuur van het sterresten de uitstroomdynamica beïnvloeden.

Methodologie
De auteurs voerden tweedimensionale axiale hydrodynamische simulaties uit met de ZEUS-MP-code in bolcoördinaten. De simulaties modelleerden de evolutie van hete accretiestromen na de verstoring van een zon-achtige ster ($M_* = M_\odot, R_* = R_\odot$) door superzware zwarte gaten (SMBH's) van $10^6 M_\odot$ en $10^7 M_\odot$.

• Aanvangsvoorwaarden: De studie richtte zich op de late fase (decennia tot eeuwen na de verstoring) waarbij het accretiepercentage is gedaald tot $\sim 0,01 \dot{M}_{\text{Edd}}$. Sterresten werden geïnjecteerd op de circularisatiestraal ($R_c = 2R_t$) met een terugvalsnelheid die volgt op het standaard $t^{-5/3}$-verval.
• Parameterbereik: Acht modellen werden uitgevoerd met variatie in drie sleutelparameters:
  1. Massa van het zwarte gat ($M_{\text{BH}}$): $10^6 M_\odot$ en $10^7 M_\odot$.
  2. Viscositeitsparameter ($\alpha$): $0,01$ en $0,1$.
  3. Injectietemperatuur van het resten ($T_{\text{inj}}$): $1 \times 10^4$ K (adiabatische evolutie) en $2 \times 10^7$ K (isotherm/hydrostatisch evenwicht).
• Analyse: De auteurs definieerden instroom-, uitstroom- en netto accretiepercentages, waarbij onderscheid werd gemaakt tussen "echte" ongebonden winden (Bernoulliparameter $B_e > 0$) en gebonden convectieve uitstromen ($B_e < 0$). Zij analyseerden tijdgemiddelde radiale en hoekprofielen van snelheid, massastroom, impulsstroom en kinetische energie.

Belangrijkste resultaten

1. Kwasi-stationaire toestand: De accretiestromen evolueren snel naar een kwasi-stationaire toestand binnen enkele viskeuze tijdschalen, wat het gebruik van kwasi-stationaire benaderingen voor het modelleren van sub-Eddington TDE's valideert.
2. Invloed van de massa van het zwarte gat: Zwaardere zwarte gaten ($10^7 M_\odot$) resulteren in een hoger aandeel geaccreteerde massa en lanceren snellere winden. Dit komt doordat resten worden geïnjecteerd op een kleinere straal geschaald naar de Schwarzschildstraal ($R_c/R_S$), waardoor het gas strakker gebonden is; ontsnappend gas moet daarom hogere snelheden bereiken om het diepere potentiaalveld te overwinnen.
3. Invloed van viscositeit ($\alpha$):
   • $\alpha = 0,1$: Efficiënte overdracht van impulsmoment lanceert ongebonden, licht-relativistische winden ($\sim 0,1c$). Deze winden worden voornamelijk gelanceerd vanuit het equatoriale vlak buiten het injectiegebied. De kinetische energie van deze winden bedraagt ongeveer $\sim 10^{-4} L_{\text{Edd}}$.
   • $\alpha = 0,01$: Inefficiënte overdracht van impulsmoment leidt tot convectief gebonden uitstromen. Het gas vertoont wervelstructuren en negatieve Bernoulliparameters, wat betekent dat het niet naar oneindig ontsnapt maar eerder circuleert binnen de stroom. Dit staat in contrast met typische AGN/XRB-hete stromen bij vergelijkbare $\alpha$, die vaak ongebonden winden vertonen (ADIOS-scenario). De auteurs schrijven dit verschil toe aan de unieke TDE-aanvangsvoorwaarden: koude resten die diep in het potentiaalveld worden geïnjecteerd met lage initiële Bernoulliparameters.
4. Invloed van temperatuur: De initiële temperatuur van het sterresten ($10^4$ K versus $10^7$ K) heeft een verwaarloosbaar effect op de structuur van de accretiestroom, aangezien de gravitationele energie die vrijkomt tijdens accretie de initiële interne energie van het gas domineert.
5. Windgeometrie: Voor $\alpha = 0,1$ worden ongebonden winden gelanceerd over een brede hoekbereik (meer dan $40^\circ$ vanaf de pool voor $10^6 M_\odot$), waarbij meer massa, impuls en energie worden meegevoerd bij rand-aan-zij (equatoriale) hoeken vergeleken met polaire hoeken.

Betekenis en toepassingen
Het artikel beweert dat deze bevindingen een mechanisme bieden om specifieke observationele kenmerken van TDE's te verklaren en een nieuwe methode bieden voor het beperken van fysische parameters:

• Vertraagde radio-oplichting: De kinetische energie van de ongebonden winden ($\sim 10^{-4} L_{\text{Edd}}$) voor $\alpha \approx 0,1$ is voldoende om de vertraagde radio-oplichting aan te drijven die wordt waargenomen in TDE's zoals ASASSN-14ae, AT2018fyk en AT2019teq op $\sim 10^3$ dagen na de verstoring. Dit suggereert dat de viscositeitsparameter in deze specifieke TDE's waarschijnlijk ligt in het bereik $0,01 < \alpha < 0,1$.
• Detectie van intermediaire-zware zwarte gaten (IMBH's): De simulaties suggereren dat TDE's die IMBH's ($10^4 - 10^5 M_\odot$) betreffen, uiterst lage geaccreteerde fracties produceren en gemakkelijk winden vormen. De auteurs stellen voor dat radio- en röntgenonderzoeken van bolvormige sterrenhopen en dwerggalaxieën deze aanhoudende, laag-niveau activiteiten kunnen detecteren, wat een veelbelovende weg biedt voor het ontdekken van IMBH's.
• Beperkingen aan viscositeit: Het duidelijk verschil in uitstroomstructuur tussen TDE's en AGN/XRB's bij lage $\alpha$ (gebonden versus ongebonden) biedt een nieuw diagnostisch hulpmiddel om de viscositeitsparameter in TDE's te beperken via waarnemingen van winden in het late stadium.

De auteurs concluderen dat, hoewel de oorsprong van de viscositeit in magnetische velden een open vraag blijft, het hydrodynamische gedrag van TDE-winden een duidelijk kenmerk biedt van de accretiefysica in deze tijdelijke gebeurtenissen, wat fundamenteel verschilt van stationaire AGN-accretie vanwege de initiële injectievoorwaarden van het sterresten.