[論文レビュー] Repeating tidal disruptions in GSN 069: Long-term evolution and constraints on quasi-periodic eruptions' models

G. Miniutti, M. Giustini+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 15, 2022

Geophysics and Gravity Measurements被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、2010年の初期検出以降12年分のGSN 069のX線データを分析し、その準周期的噴出（QPEs）が少なくとも1.05年間続く一時的な現象であり、強度と再発間隔が振動的であることが明らかになった。QPEsは、縮小した領域からの熱放射によって駆動されており、長期的進化から約9年間隔で繰り返し発生する2回の潮汐破壊現象（TDEs）が存在することが示唆され、各TDEの前には前駆フラッシュが観測されており、TDE後に円盤の再形成が起こっている可能性がある。

ABSTRACT

GSN 069 is the first galactic nucleus where quasi-periodic eruptions (QPEs) have been identified. These are high-amplitude, soft X-ray bursts recurring every ~9 hr, lasting ~1 hr, and during which the X-ray count rate increases by up to two orders of magnitude with respect to an otherwise stable quiescent level. The X-ray spectral properties and the long-term evolution of GSN 069 in the first few years are consistent with a long-lived tidal disruption event (TDE). Here we derive the properties of QPEs and of the long-term X-ray evolution in GSN 069 over the past 12 yr by studying timing and spectral X-ray data from 11 XMM-Newton, one Chandra, and 34 Swift observations on timescales ranging from minutes to years. QPEs in GSN 069 are a transient phenomenon with a lifetime > 1.05 yr. The QPE intensity and recurrence time oscillate and allow for alternating strong-weak QPEs and long-short recurrence times to be defined. In observations with QPEs, the quiescent level exhibits a quasi-periodic oscillation with a period equal to the average separation between consecutive QPEs. The QPE spectral evolution is consistent with thermal emission from a very compact region that heats up quickly and subsequently cools down via X-ray emission while expanding by a factor of ~3 in radius. The long-term evolution of the quiescent level is characterised by two repeating TDEs ~9 yr apart. We detect a precursor X-ray flare prior to the second TDE that may be associated with the circularisation phase during disc formation. A similar precursor flare is tentatively detected just before the first TDE. Future X-ray observations of GSN 069 promise that the QPE origin and the relation between QPEs and repeating TDEs in this galactic nucleus will be constrained, with consequences for the other sources where QPEs have been identified. [abridged]

研究の動機と目的

• 2010年の初期検出以降12年間にわたるGSN 069の長期的X線進化を理解すること。
• QPEsの再発、持続時間、スペクトル的進化を含めた特性を特徴づけること。
• QPEsと潮汐破壊現象（TDEs）の関係、特に繰り返し発生するTDEsの起源を調査すること。
• タイミング、スペクトル的および長期的変動パターンの分析を通じて、QPEの理論的モデルを制約すること。
• QPEが、公転する伴星によるものか、降着流内の内部円盤不安定性によるものかを特定すること。

提案手法

• XMM-Newton 11回、Chandra 1回、Swift 34回のGSN 069のX線観測データを、数分から数年までの時間スケールで分析した。
• QPEの再発間隔と強度変動を測定するためのタイミング解析を実施し、強力なQPEと弱いQPEの間で振動し、長期間と短期間の再発周期が交互に現れる現象を同定した。
• QPEのスペクトルフィッティングにより、熱放射をモデル化し、温度の進化と源のサイズの拡大（約3倍の半径増加）を導出した。
• 時間経過に伴う準安定X線レベルの変化を追跡し、QPEの平均再発間隔と等しい周期の準周期的振動を検出した。
• 長期的放射束の減衰をTDEの降着時間スケールと比較し、約9年間隔で発生する2つのTDEが存在すると推定した。
• 各TDEの前には前駆フラッシュが観測されており、円盤の再形成または円形化プロセスを示唆している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GSN 069の準安定X線レベルは、12年間にわたりどのように長期的進化を示すか？
• RQ2 QPEの再発間隔と強度は時間経過とともにどのように変化するか？ これはその起源に何を示唆するか？
• RQ3 QPEsは潮汐破壊現象（TDEs）と関連しているか？ もしそうなら、何回のTDEが発生したか、その時間スケールは何か？
• RQ4 各TDEの前には観測された前駆フラッシュは、どのように円盤形成または円形化に関連しているか？
• RQ5 QPE現象は、公転する伴星によるものか、あるいは破断を伴う内部円盤不安定性（例：破断）によって説明可能か？

主な発見

• GSN 069のQPEsは一時的であり、最小で1.05年以上の持続期間を示し、強度と再発間隔が振動的である。
• 準安定X線レベルには、連続するQPE間の平均間隔と等しい周期の準周期的振動が存在する。
• QPEのスペクトル的進化は、急激に加熱され、X線放射によって冷却されるが、半径が約3倍に拡大するコンパクトな領域からの熱放射と整合的である。
• 長期的X線進化から、約9年間隔で繰り返し発生する2つのTDEが存在することが判明し、2番目のTDEの前には前駆フラッシュが観測された。
• 最初のTDEの前にも、一時的な前駆フラッシュが観測されており、円盤の円形化または再形成と関連する可能性がある。
• TDEの時間スケールとQPEの特性の類似性から、約9年周期の軌道上での星の部分的破壊がQPEsを駆動している可能性、または生存する公転体や円盤の破断機構が原因である可能性が支持される。