Dynamics of tidal disruptions and extreme mass ratio inspirals in galactic nuclei

Black holes are extreme and fascinating objects of contemporary astrophysics. They are the strongest source of gravity we can find in nature and they unveil their presence through the powerful effects they exert on the surrounding environment. One of these effects is represented by the disruption of those starts that got too close to the event horizon. This is caused by the strong tidal force that a massive black hole (MBH) exert on the stellar structure, ultimately tearing it apart and resulting in the production of luminous transient flares, lasting days to months. This phenomenon is known as tidal disruption event (TDE). Stellar black holes and neutron stars can withstand tidal forces, because of their compact structure, and can approach the black hole as close as the last stable orbit limit prescribed by general relativity. Once this point is reached, they are eventually swallowed by the MBH in a plunge event. Depending on how the plunge occurs, they can be direct plunges (DPs) if the capture happens over few orbits, or a long inspiralling of the stellar object over many orbits. This latter kind of events are known as extreme mass ratio inspiral (EMRI) due to the large difference in the mass of the two objects. My research is focused on building advanced theoretical and numerical tools to predict the rates of TDEs, DPs and EMRIs in realistic galaxies; these can be later turned into event rates of the observable Universe and ultimately expected detection rates. By comparing these rates with actual observations, one can infer properties of the underlying population of MBHs. I have developed the first public code to solve the statistical evolution of galactic nuclei, the dense and crowded environments where the majority of these events are produced. With this code, I have simulated a variety of galactic nuclei populated of stars and stellar black holes. This allowed me to fully characterize their evolution governed by mass segregation, and the formation rate of TDEs, DPs and EMRIs. Moreover, I have shown that the accretion of the central black hole due to these events may be significant for intermediate-mass black holes with mass lower than about one million solar masses. With the observational facilities currently available, around 100 TDEs have been observed, and this number is expected to rapidly grow in the next years thanks to upcoming observatories. The rate estimated from these first observations falls at the lower end of the theoretical predictions. It has been proposed that such discrepancy can be ascribed to the lack of a proper treatment of tidal disruptions, specifically the partial TDEs, i.e. the outcome of close, non-disruptive approach of a star to an MBH where the star loses only a fraction of its mass. I present here a novel model of partial disruptions in galactic nuclei, accounting for partial mass loss and the possibility of repeating partial TDEs. EMRIs have not been detected yet, but they are the science target of future, space based, gravitational waves detectors. The gravitational signal emitted during their inspiral offers the possibility of testing general relativity in the strong field regime, and -- as in the case of TDEs -- their rate will constrain models of black hole populations. I present here my studies on the relaxation of galactic nuclei, that show the limits of current models in treating plunges of compact objects. I present a revised and improved theory for the computation of the rates -- both for stars and compact objects -- with quantitative results leveraging on the accurate implementation of this framework.

I buchi neri sono oggetti estremi e affascinanti dell'astrofisica contemporanea. Sono la fonte di gravità più potente che si possa trovare in natura e rivelano la loro presenza attraverso i stravolgenti effetti che hanno sull'ambiente che li circonda. Uno di questi effetti è la distruzione delle stelle che si avvicinano troppo all'orizzonte degli eventi. Questo è causato dalla forza mareale che un buco nero massiccio (MBH) esercita sulla struttura stellare, distruggendola e provocando la produzione di brillanti transienti luminosi, che durano da giorni a mesi. Questo fenomeno è noto come tidal disruption event (TDE). I buchi neri stellari e le stelle di neutroni possono resistere alle forze mareali, grazie alla loro struttura compatta, e possono avvicinarsi al buco nero fino al limite dell'ultima orbita stabile prescritto dalla relatività generale. Una volta raggiunto questo punto, vengono infine inghiottiti dal MBH in un evento noto come plunge. A seconda di come avviene, si può trattare di un direct plunge (DP) se la cattura avviene su poche orbite, oppure di una lunga fase di spiraleggiamento dell'oggetto stellare su molte orbite. Quest'ultimo tipo di eventi è noto come extreme mass ratio inspiral (EMRI), a causa della grande differenza di massa tra i due oggetti. La mia ricerca si concentra sulla costruzione di strumenti teorici e numerici avanzati per prevedere i tassi di TDE, DP e EMRI in galassie realistiche; questi possono essere successivamente trasformati in tassi di eventi dell'Universo osservabile e, in ultima analisi, in tassi di rilevamento previsti. Confrontando questi tassi con le osservazioni reali, si possono dedurre le proprietà della popolazione sottostante di MBH. Ho sviluppato il primo codice pubblico per risolvere l'evoluzione statistica dei nuclei galattici, gli ambienti densi e affollati in cui si produce la maggior parte di questi eventi. Con questo codice ho simulato una serie di nuclei galattici popolati da stelle e buchi neri stellari. Questo mi ha permesso di caratterizzare completamente la loro evoluzione, governata dalla segregazione di massa, e il tasso di formazione di TDE, DP e EMRI. Inoltre, ho mostrato che l'accrescimento del buco nero centrale dovuto a questi eventi può essere significativo per i buchi neri di massa intermedia con massa minore di circa un milione di masse solari. Con le strumentazioni attualmente disponibili, sono stati osservate circa 100 TDE e si prevede che questo numero crescerà rapidamente nei prossimi anni grazie agli osservatori in costruzione. Il tasso stimato da queste prime osservazioni si colloca all'estremo inferiore delle previsioni teoriche. È stato proposto che questa discrepanza possa essere attribuita alla mancanza di un trattamento adeguato delle perturbazioni mareali, in particolare delle TDE parziali, cioè il risultato dell'avvicinamento non distruttivo di una stella a un MBH, in cui la stella perde solo una frazione della sua massa. Presento in questo lavoro un nuovo modello di distruzioni parziali nei nuclei galattici, che tiene conto della perdita parziale di massa e della possibilità di ripetere le TDE parziali. Nessuna EMRI è stata ancora rilevata, ma esse sono l'obiettivo scientifico dei futuri rivelatori di onde gravitazionali nello spazio. Il segnale gravitazionale emesso durante la loro fase di spiraleggiamento offre la possibilità di testare la relatività generale nel regime di campo forte e, come nel caso delle TDE, il loro tasso osservativo vincolerà i modelli delle popolazioni di buchi neri. Presento qui i miei studi sul rilassamento dei nuclei galattici, che mostrano i limiti dei modelli attuali nel trattare i plunge degli oggetti compatti. Presento una teoria rivista e migliorata per il calcolo dei tassi di formazione - sia per le stelle che per gli oggetti compatti - con risultati quantitativi che si basano sull'accurata implementazione di questo impianto teorico.