[論文レビュー] Radiative Emission Mechanisms of Tidal Disruption Events

Nathaniel Roth, Elena M. Rossi+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 3, 2020

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 169被引用数 49

ひとこと要約

本論文は、潮汐破壊現象（TDE）における放射放出メカニズムを調査し、光学/紫外線およびソフトX線放射が、流出を伴う高速で円形化した降着円盤（再放射、コンプトン化を伴う放射の修正あり）または衝撃加熱を受ける非円形の破片流に起因すると提案している。主な貢献は、破片の大気における不完全な熱化によって生じる近似的に一定の紫外線/光学色温度を統一的に説明することであり、観測された多波長光曲線と理論的モデルの整合性をとらえている。

ABSTRACT

We describe how the various outcomes of stellar tidal disruption give rise to observable radiation. We separately consider the cases where gas circularizes rapidly into an accretion disc, as well as the case when shocked debris streams provide the observable emission without having fully circularized. For the rapid circularization case, we describe how outflows, absorption by reprocessing layers, and Comptonization can cause the observed radiation to depart from that of a bare disc, possibly giving rise to the observed optical/UV emission along with soft X-rays from the disc. If, instead, most of the debris follows highly eccentric orbits for a significant time, many properties of the observed optical/UV emission can be explained by the scale of those eccentric orbits and the shocks embedded in the debris flow near orbital apocenter. In this picture, soft X-ray emission at early times results from the smaller amount of debris mass deflected into a compact accretion disc by weak shocks near the stellar pericenter. A general proposal for the near-constancy of the ultraviolet/optical color temperatures is provided, by linking it to incomplete thermalization of radiation in the atmosphere of the emitting region. We also briefly discuss the radio signals from the interaction of unbound debris and jets with the black hole environment.

研究の動機と目的

• 標準的な裸の降着円盤モデルを超えて、TDEにおける観測された光学/紫外線およびソフトX線放射を説明すること。
• 初期段階における理論的ソフトX線予測と観測的限界との乖離を解明すること。
• TDE光曲線で観測された近似的に一定の紫外線/光学色温度を説明すること。
• 非束縛破片および相対論的ジェットが核周囲媒体と相互作用する際の電波放射をモデル化すること。
• 複数の放射メカニズムを統合的に説明するフレームワークを構築し、多波長光曲線を説明すること。

提案手法

• 初期の質量降着率とその後の粘性進化を考慮した降着円盤放射をモデル化し、観測されたX線および紫外線データと比較する。
• 流出、再放射層、コンプトン化を、裸の円盤放射を修正するメカニズムとして導入し、ピーク放射がソフトX線から紫外線/光学へシフトすることを説明する。
• 非円形で衝撃加熱を受ける破片流の解析を行い、その軌道的スケールおよび遠星点付近の衝撃と初期の光学/紫外線放射を関連付ける。
• シンクロtron電波放射の解析的および準解析的モデルを、衝撃加速とエネルギー分配に基づいて非束縛破片および相対論的ジェットに適用する。
• 等分配および爆発波モデルを用いて電波後光の進化をモデル化し、逆コンプトン冷却による時間依存エネルギー入力を組み込む。
• 質量降着率に依存する動的な光球面モデルを提案し、変化するスペクトルエネルギー分布を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 TDEにおける流出、再放射、コンプトン化は、裸の降着円盤からの放射をどのように修正するか？
• RQ2 なぜTDEの初期進化段階で紫外線/光学色温度がほぼ一定であるか？
• RQ3 非円形で衝撃加熱を受ける破片流で、観測された光学/紫外線放射を生じる物理的過程は何か？
• RQ4 TDEにおける非束縛破片および相対論的ジェットからの電波放射は、時間経過とともにどのように変化するか？
• RQ5 Swift J1644のようなジェットを伴うTDEの電波後光において、時間依存エネルギー入力はどのように説明できるか？

主な発見

• TDEにおける観測された光学/紫外線放射は、ソフトX線を過剰に予測する裸の円盤放射よりも、再放射およびコンプトン化された円盤放射によってよりよく説明できる。
• 近似的に一定の紫外線/光学色温度は、安定した光球面ではなく、衝撃加熱を受ける破片の大気における不完全な熱化に起因する。
• 初期段階のソフトX線放射は、近心点付近の弱い衝撃によって一部の破片質量がコンパクトな円盤に誘導された結果である。
• 非束縛破片からの電波放射は、即時的かつ検出可能であり、特徴的な速度は約6000 km/s、運動エネルギーはM* ~1 M⊙に対して約2×10^50 ergである。
• Swift J1644のようなジェットを伴うTDEの電波後光では、時間経過とともに放射領域内のエネルギーが増加しており、これはX線放射の減少に起因する電子の逆コンプトン冷却の低減によって説明できる。
• 本モデルは、破壊後の質量降着率と動的に調整される光球面とを結びつけることで、多波長TDE光曲線をうまくフィットする。