[論文レビュー] What powers the radio emission in TDE AT2019dsg: a long-lived jet or the disruption itself?

Tatsuya Matsumoto, Tsvi Piran+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 6, 2021

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 47被引用数 23

ひとこと要約

本論文は、TDE AT2019dsgにおける長期間にわたる電波放射が、中心のブラックホールエンジンからの連続的エネルギー注入ではなく、単一の急激な恒星残骸の噴出に起因する衝撃加熱によって駆動されていると主張している。観測された電波エネルギーの時間的増加は、流出が周核物質を巻き上げる過程での運動エネルギーの移譲によって自然に生じる。等分配モデルでは、自由に進行するか弱く減速する衝撃波に一致する、速度とエネルギーの整合的増加が示される。主な結論として、連続的エネルギー注入は不要であり、微調整が必要となるが、衝撃駆動モデルは電波光曲線およびスペクトル進化をより単純かつ自己整合的な説明で説明可能である。

ABSTRACT

The tidal disruption event AT2019dsg was observed from radio to X-rays and was possibly accompanied by a high-energy neutrino. Previous interpretations have focused on continued injection by a central engine as the source of energy for radio emission. We show that continuous energy injection is unnecessary; the radio data can be explained by a single ejection of plasma that supplies all the energy needed. To support this assertion, we analyze the synchrotron self-absorbed spectra in terms of the equipartition model. Similar to previous analyses, we find that the energy in the radio-emitting region increases approximately $\propto t^{0.7}$ and the lengthscale of this region grows $\propto t$ at a rate $\simeq0.06c$. This event resembles the earliest stage of a supernova remnant: because the ejected mass is much greater than the shocked external mass, its velocity remains unchanged, while the energy in shocked gas grows with time. The radio-emitting material gains energy from the outflow, not continuing energy injection by the central object. Although energy injection from an accreting BH cannot be completely excluded, the energy injection rate is very different from the fallback luminosity, and maintaining constant outflow velocity requires fine-tuning demanding further physical explanation. If the neutrino association is real, the energy injection needed is much greater than for the radio emission, suggesting that the detected neutrino did not arise from the radio-emitting region.

研究の動機と目的

• TDE AT2019dsgにおける長期間にわたる電波放射の物理的起源を特定すること。
• 観測された電波エネルギーの時間的増加を説明するために、中心ブラックホールからの連続的エネルギー注入が必要かどうかを検証すること。
• 電波放射を駆動する衝撃駆動流出モデルと持続的ジェットモデルの妥当性を評価すること。
• 高エネルギーニュートリノ検出結果が電波放射領域と関連する可能性についての意味を評価すること。

提案手法

• 各観測時刻における電波放射領域の半径、エネルギー、磁場強度を推定するために、同期放射自己吸収（SSA）電波スペクトルに等分配モデルを適用した。
• 電子エネルギーが半径に深く依存するニュートン力学的寄与を含めた修正式を用いて、等分配半径およびエネルギーを計算し、先行研究と比較して精度を向上させた。
• 自由に進行するおよび減速する流出モデルを用いて、SSAピーク周波数およびラディオラディアンスの時間的変化をフィットし、速度および周核媒体（CNM）密度プロファイルを推定した。
• 中心エンジンからのエネルギー注入レートを推定し、降着発光度と比較したところ、顕著な不一致が生じ、連続的注入には微調整が必要であることが示された。
• VLBI観測結果と照らし合わせ、相対論的流出の証拠が見つからないことから、衝撃モデルの整合性を評価した。
• ニュートリノ関連性を評価するため、ニュートリノ生成に必要なジェット放射度と、電波放射から推定された放射度を比較したところ、顕著な不一致が生じた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 AT2019dsgにおける増加する電波放射度を説明するために、中心ブラックホールからの連続的エネルギー注入が必要か？
• RQ2 中心活動が継続していない状況でも、観測された電波スペクトルピークの時間的進化は、単一のプラズマ噴出によって説明可能か？
• RQ3 推定される周核媒体（CNM）密度プロファイルは何か？ そして、流出力学にどのような制約を与えるか？
• RQ4 IceCubeが検出した高エネルギーニュートリノは、電波放射領域と関連していると想定できるか？ また、必要なエネルギー予算はその仮定を支持するか？
• RQ5 衝撃駆動モデルは、持続的ジェットモデルと比較して、より単純かつ物理的に整合性のある説明を提供できるか？

主な発見

• 等分配半径が時間に比例して増加する ∝t であることは、自由に進行するモデルにおいて約13,000 km s−1 の速度を持つ衝撃駆動流出を示している。
• 電波放射領域内のエネルギーが時間の 0.7 乗に比例して増加する ∝t^0.7 であり、これは連続的注入ではなく、周核物質を巻き上げた衝撃加熱に起因する。
• 周核媒体（CNM）密度は、Cendes et al. (2021) が報告した値の約5倍低い値に修正された。これは、等分配形式に深いつながりのあるニュートン力学的補正を組み込んだためである。
• 連続的エネルギー注入を仮定する場合、降着発光度と一致しない微調整が必要であり、観測されていない逆方向衝撃波を生成する。
• 検出されたニュートリノを生成するのに必要なジェット放射度は約 3×10^44 erg s−1 であり、電波放射から推定されたエネルギー予算と比較して3桁も高い。このため、直接的な関連性は不自然である。
• 観測された電波の時間的進化は、恒星残骸の単一の噴出に起因する運動エネルギーが徐々に衝撃領域に移譲されるというモデルによって、最も自然に説明できる。これは、超新星残骸の初期段階に類似している。