Tidal disruption of stars and extreme phenomena around compact objects

Abstract

This thesis is the result of three years of studying the exotic transients called Tidal Disruption Events (TDEs). TDEs happen when a star gets tidally disrupted by the immense gravitational field of a supermassive black hole (SMBH). Such SMBHs reside in the nuclei of galaxies but despite their importance to their respective hosts, only a small fraction of them can be indirectly studied during their active phase known as Active Galactic Nucleus (AGN). However, most of them are quiescent/dormant, making them invisible in the electromagnetic spectrum. TDE transient flares provide a unique way to study the properties of these dormant giants and probe their demographics. However, the physical processes governing TDEs are not fully understood yet and various scenarios for the emission mechanism have been proposed. In this thesis, I study TDEs mostly in the optical and ultraviolet (UV) regime, through different astrophysical techniques like photometry, spectroscopy and polarimetry, aiming to provide answers to those open questions. In the first part of this thesis, I present the first detailed spectroscopic sample study of 16 optical-UV TDEs. After performing a careful and systematic reduction and analysis of the available data, I quantify their spectral properties and study them as a class. I discover a time lag between the peaks of the optical light-curves and the peak luminosity of Hα spanning between ∼ 7 – 45 days as well as a linear relationship between the Hα luminosity and the photospheric blackbody radii of TDEs. I also show that N III strong TDEs have narrower Hα lines compared to the rest of the sample, suggesting that line widths are not driven by the kinematics. Based on this study, I suggest that the large spectroscopic diversity of TDEs combined with their X-ray properties can potentially be attributed to viewing angle effects. The second part of the thesis is a modeling study concerning polarization of TDEs. I model the continuum polarization levels of TDEs using the 3-D Monte Carlo radiative transfer code possis and the collision-induced outflow (CIO) TDE emission scenario. Studying two different mass outflow rate cases for a variety of geometrical parameters, I find that the polarization depends strongly on the optical depths at the central regions (around the intersection point where the CIO is launched from) and the viewing angle. By comparing the model predictions to polarization observations of TDEs, I attempt to constrain their observed viewing angles and I show that multi-epoch polarimetric observations can be critical in the future in order to constrain the observed viewing angle of TDEs. In the third part of this thesis, I present the study of AT 2020wey, a member of the faint and fast TDE population. TDEs are typically considered to be bright with peak absolute magnitudes of the order of −20 ≲ M ≲ −19. AT 2020wey reached a peak brightness of Mg = −17.45 mag followed by a very rapid decline, making it one of the few observed faint and fast TDEs. After carefully studying its individual properties, I investigate the nature of faint and fast TDEs and, after performing a volumetric correction on a sample of 30 TDEs, I conclude that faint TDEs are not intrinsically rare and that they should constitute up to ∼ 50 - 60 % of the entire population.

Αυτή η διατριβή είναι το αποτέλεσμα τριετούς μελέτης των εξωτικών μεταβατικών γεγονότων που ονομάζονται Φαινόμενα Παλιρροϊκής Διάσπασης (TDEs). Τα TDE συμβαίνουν όταν ένα αστέρι διασπάται παλιρροιακά από το τεράστιο βαρυτικό πεδίο μιας υπερμεγέθους μαύρης τρύπας (SMBH). Τέτοιες SMBH κατοικούν στους πυρήνες των γαλαξιών, αλλά παρά τη σημασία τους για τους αντίστοιχους ξενιστές τους, μόνο ένα μικρό κλάσμα από αυτές μπορεί να μελετηθεί έμμεσα κατά τη διάρκεια της ενεργού φάσης τους που είναι γνωστή ως Ενεργός Γαλαξιακός Πυρήνας (AGN). Ωστόσο, οι περισσότερες από αυτές είναι σε ηρεμία/αδρανής, καθιστώντας τες αόρατες στο ηλεκτρομαγνητικό φάσμα. Οι παροδικές εκλάμψεις TDE παρέχουν έναν μοναδικό τρόπο μελέτης των ιδιοτήτων αυτών των αδρανών γιγάντων και διερεύνησης των δημογραφικών τους στοιχείων. Ωστόσο, οι φυσικές διεργασίες που διέπουν τα TDE δεν είναι ακόμη πλήρως κατανοητές και έχουν προταθεί διάφορα σενάρια για τον μηχανισμό εκπομπής. Σε αυτή τη διατριβή, μελετώ TDEs κυρίως στο οπτικό και υπεριώδες (UV) κομμάτι του φάσματος, μέσω διαφορετικών αστροφυσικών τεχνικών όπως φωτομετρία, φασματοσκοπία και πολωμετρία, με στόχο να δώσω απαντήσεις σε αυτά τα ανοιχτά ερωτήματα. Στο πρώτο μέρος αυτής της διπλωματικής εργασίας, παρουσιάζω την πρώτη λεπτομερή φασματοσκοπική δειγματοληπτική μελέτη 16 οπτικών-UV TDEs. Αφού πραγματοποιήσω προσεκτική και συστηματική αναγωγή και ανάλυση των διαθέσιμων δεδομένων, ποσοτικοποιώ τις φασματικές τους ιδιότητες και τις μελετώ ως κλάση. Ανακαλύπτω μια χρονική υστέρηση μεταξύ των κορυφών των οπτικών καμπυλών φωτός και της μέγιστης φωτεινότητας της φασματικής γραμμής Hα που εκτείνεται μεταξύ ~ 7 – 45 ημερών καθώς και μια γραμμική σχέση μεταξύ της φωτεινότητας Ηα και των ακτίνων του φωτοσφαιρικού μελαν σώματος των TDEs. Δείχνω επίσης ότι τα N III ισχυρά TDE έχουν στενότερες γραμμές Ηα σε σύγκριση με το υπόλοιπο δείγμα, υποδηλώνοντας ότι τα πλάτη των γραμμών δεν καθορίζονται από την κινηματική. Με βάση αυτή τη μελέτη, προτείνω ότι η μεγάλη φασματοσκοπική ποικιλομορφία των TDE σε συνδυασμό με τις ιδιότητές τους στις ακτίνες Χ, μπορεί δυνητικά να αποδοθεί στις διαφορετικές γωνίες θέασης. Το δεύτερο μέρος της διπλωματικής εργασίας είναι μια μελέτη μοντελοποίησης που αφορά την πόλωση των TDEs. Μοντελοποιώ τα επίπεδα πόλωσης του συνεχούς των TDE χρησιμοποιώντας τον τρισδιάστατο κώδικα μεταφοράς ακτινοβολίας Monte Carlo POSSIS και το σενάριο εκπομπής TDE εκροής που προκαλείται από σύγκρουση (CIO). Μελετώντας δύο διαφορετικές περιπτώσεις ρυθμού εκροής μάζας για μια ποικιλία γεωμετρικών παραμέτρων, διαπιστώνω ότι η πόλωση εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τα οπτικά βάθη στις κεντρικές περιοχές (γύρω από το σημείο τομής από όπου εκτοξεύεται το CIO) και τη γωνία θέασης. Συγκρίνοντας τις προβλέψεις μοντέλων με τις παρατηρήσεις πόλωσης των TDE, προσπαθώ να περιορίσω τις παρατηρούμενες γωνίες θέασής τους και δείχνω ότι οι πολωσιμετρικές παρατηρήσεις πολλών εποχών μπορεί να είναι κρίσιμες στο μέλλον προκειμένου να περιοριστεί η πιθανή παρατηρούμενη γωνία θέασης ενός TDE. Στο τρίτο μέρος αυτής της διατριβής, παρουσιάζω τη μελέτη του AT 2020wey, ενός μέλους του αμυδρού και γρήγορου πληθυσμού TDE. Τα TDE συνήθως θεωρούνται φωτεινά με μέγιστα απόλυτα μεγέθη της τάξης των −20 ≲ M ≲ −19. Το AT 2020wey έφτασε μια μέγιστη φωτεινότητα Mg = -17.45 τάξη μεγέθους που ακολουθήθηκε από μια πολύ γρήγορη πτώση, καθιστώντας το ένα από τα ελάχιστα παρατηρούμενα αμυδρά και γρήγορα TDE. Μετά από προσεκτική μελέτη των επιμέρους ιδιοτήτων του, διερευνώ τη φύση των αμυδρών και γρήγορων TDE και, αφού πραγματοποιήσω μια ογκομετρική διόρθωση σε ένα δείγμα 30 TDE, καταλήγω στο συμπέρασμα ότι τα αμυδρά TDEs δεν είναι εγγενώς σπάνια και ότι θα πρέπει να αποτελούν έως και 50 - 60 % του συνόλου του πληθυσμού.