[論文レビュー] Rapid accretion state transitions following the tidal disruption event AT2018fyk

T. Wevers, Dheeraj R. Pasham+8 more|UvA-DARE (University of Amsterdam)|Jan 12, 2021

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 119被引用数 56

ひとこと要約

この論文はAT2018fykという潮汐撕裂イベントの2年間にわたる多波長観測を示し、超大質量ブラックホール系において、恒星質量ブラックホールのアウトバーストに類似した3つの降着状態と2つの遷移を同定する。

ABSTRACT

Following a tidal disruption event (TDE), the accretion rate can evolve from quiescent to near-Eddington levels and back over months - years timescales. This provides a unique opportunity to study the formation and evolution of the accretion flow around supermassive black holes (SMBHs). We present two years of multi-wavelength monitoring observations of the TDE AT2018fyk at X-ray, UV, optical and radio wavelengths. We identify three distinct accretion states and two state transitions between them. These appear remarkably similar to the behaviour of stellar-mass black holes in outburst. The X-ray spectral properties show a transition from a soft (thermal-dominated) to a hard (power-law dominated) spectral state around L$_{ m bol} \sim $few $ imes 10^{-2}$ L$_{ m Edd}$, and the strengthening of the corona over time $\sim$100--200 days after the UV/optical peak. Contemporaneously, the spectral energy distribution (in particular, the UV-to-X-ray spectral slope $α_{ox}$) shows a pronounced softening as the outburst progresses. The X-ray timing properties also show a marked change, initially dominated by variability at long ($>$day) timescales while a high frequency ($\sim$10$^{-3}$ Hz) component emerges after the transition into the hard state. At late times ($\sim$500 days after peak), a second accretion state transition occurs, from the hard into the quiescent state, as identified by the sudden collapse of the bolometric (X-ray+UV) emission to levels below 10$^{-3.4}$ L$_{ m Edd}$. Our findings illustrate that TDEs can be used to study the scale (in)variance of accretion processes in individual SMBHs. Consequently, they provide a new avenue to study accretion states over seven orders of magnitude in black hole mass, removing limitations inherent to commonly used ensemble studies.

研究の動機と目的

• TDEにおける降着率が静止状態から近エddingtonまでどのように進化し、それがSMBHの降着物理とどのように対応するかを調べる。
• イベント全体を通じたUV–X線スペクトル進化とタイミング特性を特徴づけ、状態遷移を特定する。
• 観測されたSMBH降着状態の挙動を、既知の恒星質量ブラックホールの状態と比較する。
• TDEがSMBHの測定可能な時間スケールでの降着状態遷移を探る手段になりうるか評価する。
• AT2018fykにおけるボロメトリックエddington分率がスペクトル状態と変動性にどのように関連するかを評価する。

提案手法

• XMM-Newton、Swift、NICER、Chandra、Magellan、ATCAによる約2年にわたるAT2018fykの多波長観測。
• 宿主銀河のスペクトルエネルギー分布のモデリングによって宿主フラックスを減算し、固有の源SEDを取得。
• ディスクとコロナの寄与を追跡するため、二成分（熱成分＋べき乗則成分）フィットによるX線スペクトルモデリング。
• ボリューム全体のエddington分率 f_Edd,bol に対する UV–X線スペクトral slope alpha_ox の evolutions の測定。
• 状態間の遷移や低・高周波変動を調べるためのX線光曲線のタイミング解析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 TDEは恒星質量ブラックホールと同様の降着状態遷移をSMBHで示すか。
• RQ2 TDEにおけるボリューム全体のエddington分率の進行とα_oxの変化はどうなるか。
• RQ3 AT2018fykで提案された降着状態（ソフト、ハード、静止）のスペクトル・タイミング特性と遷移は何か。
• RQ4 AT2018fykで観測された挙動は、ブラックホール質量7桁分のスケール不変性と円盤-コロナ物理の普遍性を制約できるか。

主な発見

• AT2018fykは約2年にわたり3つの降着状態と2つの遷移を示し、恒星質量ブラックホールのアウトバーストに類似している。
• X線スペクトル状態は、L_bol ≈ 数×10^-2 L_Edd 付近でソフト（熱優勢）からハード（べき乗則優勢）へと遷移し、コロナはUV/光学ピークの約100–200日後に強化される。
• アウトバーストが進行するにつれてUVからX線のスペクトル勾配 alpha_ox がソフト化し、遷移後のハード状態への移行後には長時間スケールの変動から高周波成分へのシフトをX線タイミングで示す。
• ピークから約500日後に2つ目の降着状態遷移が発生し、総放射の崩壊によりボリューム全体の放射が約10^-3.4 L_Eddを下回ることでハードから静止へ移行している。
• AT2018fykで観測された降着状態の挙動は、恒星質量BHで見られる降着状態と密接に類似しており、SMBHにおける降着過程のスケール不変性を支持する。
• この研究は、7桁オーダーのブラックホール質量範囲での降着物理を研究するツールとしてTDEが有効であることを示している。