[논문 리뷰] A Mildly Relativistic Outflow Launched Two Years after Disruption in the Tidal Disruption Event AT2018hyz

Y. Cendes, E. Berger외 10명|arXiv (Cornell University)|2022. 06. 28.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 55인용 수 70

한 줄 요약

이 연구는 광학적 발견 후 약 750일 후에 발생한 지연된, 약간 상대론적인 유동을 처음으로 명확히 관측한 것으로, 흐름의 속도는 β ≈ 0.25–0.6이며 운동 에너지는 EK ≈ 5.8–6.3 × 10⁴⁹ erg로 추정된다. 다중 주파수의 전파, 밀리미터파, 광학/자외선, X선 관측 결과는 Fν ∝ t⁵보다 더 급격히 상승하는 전파 광도 곡선을 보이며, 이는 즉각적인 조류나 주변 밀도 증가 모델을 배제하고 지연된 유동을 시사한다.

ABSTRACT

We present late-time radio/millimeter (as well as optical/UV and X-ray) detections of the tidal disruption event (TDE) AT2018hyz, spanning $970 - 1300$ d after optical discovery. In conjunction with earlier deeper limits, including at $\approx 700$ d, our observations reveal rapidly rising emission at $0.8-240$ GHz, steeper than $F_ u\propto t^5$ relative to the time of optical discovery. Such a steep rise cannot be explained in any reasonable scenario of an outflow launched at the time of disruption (e.g., off-axis jet, sudden increase in the ambient density), and instead points to a delayed launch. Our multi-frequency data allow us to directly determine the radius and energy of the radio-emitting outflow, showing that it was launched $\approx 750$ d after optical discovery. The outflow velocity is mildly relativistic, with $\beta\approx 0.25$ and $\approx 0.6$ for a spherical and a $10^\circ$ jet geometry, respectively, and the minimum kinetic energy is $E_K\approx 5.8 imes 10^{49}$ and $\approx 6.3 imes 10^{49}$ erg, respectively. This is the first definitive evidence for the production of a delayed mildly-relativistic outflow in a TDE; a comparison to the recently-published radio light curve of ASASSN-15oi suggests that the final re-brightening observed in that event (at a single frequency and time) may be due to a similar outflow with a comparable velocity and energy. Finally, we note that the energy and velocity of the delayed outflow in AT2018hyz are intermediate between those of past non-relativistic TDEs (e.g., ASASSN-14li, AT2019dsg) and the relativistic TDE Sw\,J1644+57. We suggest that such delayed outflows may be common in TDEs.

연구 동기 및 목표

• 광학적 발견 후 970–1300일 경과 시점에 관측된 TDE AT2018hyz에서 늦은 시기의 급격히 상승하는 전파 복사의 기원을 조사하는 것.
• 지연된 전파 복사에 대한 경쟁 모델, 즉 경사진 상대론적 제트, 주변 밀도 증가, 지연된 유동 방출을 구분하는 것.
• 다중 주파수 전파 및 SED 데이터를 이용해 전파 복사 유동의 물리적 특성, 즉 반경, 속도, 에너지, 기하학적 형태를 결정하는 것.

제안 방법

• VLA, ALMA, AMI-LA, ASKAP를 이용한 다중 주파수 전파 및 밀리미터파 관측을 수행하여 0.8–240 GHz 범위를 커버하였으며, 약 700일 경과 시점에 깊은 상한선을 확보하였다.
• 균형 분포 가정을 포함한 동기 방출 자기흡수 모델을 사용하여 스펙트럼 에너지 분포(SED) 모델링을 수행하여 반경, 루프터 인자, 운동 에너지 등의 유동 특성을 유도하였다.
• 이상적인 스펙트럼 진화를 설명하기 위해 이중 유동 모델을 시험하였으며, 하나의 성분은 약 1.5 GHz에서, 다른 하나는 약 3 GHz에서 피크를 보였다. 이는 시간에 따른 진화 및 복사 우세성 분석을 위해 사용되었다.
• 피크 주파수와 복사 세기의 시간 진화에 물리적 일관성을 유지하는 사전 조건을 적용한 MCMC 샘플링을 사용하여 데이터를 분석하였다.
• 구형 및 10° 제트 기하학 구조를 고려하여 유동 기하학을 모델링하여 유동 속도 및 에너지 추정치에 미치는 영향을 평가하였다.
• X선 및 광학/자외선 데이터를 활용하여 유동의 시기 및 에너지가 적응 및 붕괴 과정과 어떻게 관련되어 있는지 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 AT2018hyz에서 광학적 발견 후 970–1300일 경과 시점에 관측된 전파 빛의 급격한 상승을 설명하는 메커니즘은 무엇인가?
• RQ2 관측된 전파 광도 곡선은 즉각적인 상대론적 제트, 주변 매질 상호작용, 또는 지연된 유동 방출에 의해 설명될 수 있는가?
• RQ3 전파 복사 유동의 물리적 매개변수(속도, 에너지, 반경)는 무엇이며, 이는 유동 기하학에 어떻게 의존하는가?
• RQ4 AT2018hyz의 주변핵 환경은 비정상적으로 밀도가 높은가, 아니면 지연이 내부 적응 디스크 과정에 기인한 것인가?
• RQ5 AT2018hyz의 지연된 유동은 Sw J1644+57 및 ASASSN-15oi와 같은 다른 TDE들과 비교하여 에너지 및 속도 측면에서 어떻게 다를까?

주요 결과

• AT2018hyz의 전파 복사는 Fν ∝ t⁵보다 더 급격히 상승하는 급격한 상승을 보이며, 이는 즉각적인 유동 모델(예: 경사진 제트 또는 급격한 주변 밀도 증가)과 일치하지 않는다.
• 유동은 광학적 발견 후 약 750일 후에 방출되었으며, 구형 유동의 경우 β ≈ 0.25, 10° 제트 기하학의 경우 β ≈ 0.6의 약간 상대론적인 속도를 가짐.
• 유동의 최소 운동 에너지는 구형 구조일 경우 EK ≈ 5.8 × 10⁴⁹ erg, 제트 기하학일 경우 ≈6.3 × 10⁴⁹ erg로 추정되며, 이는 비상대론적 TDE와 상대론적 TDE Sw J1644+57 사이에 위치한다.
• 주변핵 환경의 밀도는 TDE의 일반적인 수준을 유지하고 있어, 밀도 높은 매질과의 상호작용은 지연의 원인이 아님을 배제한다.
• 이중 유동 모델을 시험하였지만 빠른 진화를 설명하지 못하였으며, 두 성분 모두 여전히 지연된 약간 상대론적 기원을 가져야 함을 시사한다.
• 이 연구는 TDE에서 지연된 약간 상대론적 유동이 처음으로 명확히 규명된 사례로, 이와 같은 유동이 TDE 집단에서 흔할 수 있음을 시사한다.