[논문 리뷰] A systematic analysis of the X-ray emission in optically selected tidal disruption events: observational evidence for the unification of the optically and X-ray selected populations

Muryel Guolo, Suvi Gezari외 5명|arXiv (Cornell University)|2023. 08. 24.

Solar and Space Plasma Dynamics인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 2014–2021년 사이에 옵티컬으로 선택된 17개의 광학적 양성 흐름 파괴 사건(TDE)에서의 X선 방출을 분석하여, 다양한 X선 광도 곡선과 냉각하는 은하수 형성 디스크와 일치하는 연한 스펙트럼을 발견하였다. 주요 결과는 옵티컬로 선택된 TDE와 X선으로 선택된 TDE는 서로 다른 집단이 아니라 초기 시기의 L_BB/L_X에서 연속적인 분포를 이룬다는 점으로, 관측된 성질이 관측 각도에 의해 결정되는 통합 모델을 지지한다.

ABSTRACT

We present a systematic analysis of the X-ray emission of a sample of 17 optically selected, X-ray-detected tidal disruption events (TDEs) discovered between 2014 and 2021. The X-ray light curves show a diverse range of temporal behaviors, with most sources not following the expected power-law decline. The X-ray spectra are mostly extremely soft and consistent with thermal emission from the innermost region of an accretion disk, which cools as the accretion rate decreases. Three sources show formation of a hard X-ray corona, at late-times. The spectral energy distribution shape, probed by the ratio ($L_{ m\,BB}/L_{ m\,X}$) between the UV/optical and X-ray, shows a wide range $L_{ m BB}/L_{ m X}\,\in\,(0.5,\,3000)$ at early-times, and converges to disk-like values $L_{ m\,BB}/L_{ m\,X}\,\in\,(0.5,\,10)$ at late-times. We estimate the fraction of optically discovered TDEs with $L_{ m\,X}\,\geq 10^{42}~ m{erg}~ m{s}^{-1} $ to be at least $40\%$, and show that X-ray loudness is independent of black hole mass. We argue that distinct disk formation time scales are unlikely to fully explain the diverse range of X-ray evolutions. We combine our sample with X-ray discovered ones to construct an X-ray luminosity function, best fitted by a broken power-law, with a break at $L_{ m\,X} \approx 10^{44}~ m{erg}~ m{s}^{-1} $. We show that there is no dichotomy between optically and X-ray selected TDEs, instead there is a continuum of early time $L_{ m\,BB}/L_{ m\,X}$, at least as wide as $L_{ m\,BB}/L_{ m\,X}\,\in\,(0.1,\,3000)$, with optical/X-ray surveys selecting preferentially, but not exclusively, from the higher/lower end of the distribution. Our findings are consistent with unification models for the overall TDE population.

연구 동기 및 목표

• 옵티컬 플레어가 뚜렷한 반면 일반적으로 X선에서 어두운 경향이 있는 옵티컬로 선택된 TDE의 X선 성질을 이해하기 위해.
• 관측된 X선 행동의 다양성이 디스크 형성 시간스케일 때문인지, 또는 관측 각도에 따라 달라지는 은폐성 때문인지 테스트하기 위해.
• 옵티컬로 선택된 TDE와 X선으로 선택된 TDE가 본질적으로 다른 집단인지, 아니면 동일한 기초 현상의 연속적인 분포인지 판단하기 위해.
• 옵티컬 TDE 샘플과 X선으로 발견된 TDE를 조합하여 X선 광도 함수(XLF)를 구축하고, X선이 뚜렷한 TDE 비율(L_X ≥ 10^42 erg s⁻¹)을 평가하기 위해.

제안 방법

• 옵티컬로 발견된 17개의 TDE에 대해 XMM-Newton, Swift, eROSITA의 X선 광도 곡선과 스펙트럼을 체계적으로 분석하였다.
• X선 방출을 열역학적 디스크 블랙보디(diskbb)로 모델링하고 온도 및 정규화의 진화를 평가하기 위해 XSPEC를 사용하여 스펙트럼 피팅을 수행하였다.
• 자외선/옵티컬 대 X선 광도 비율(L_BB/L_X)을 계산하여 다양한 시점에서의 스펙트럼 에너지 분포(SED)의 형태와 진화를 탐색하였다.
• 옵티컬 TDE 샘플을 X선으로 발견된 TDE와 결합하여, 깨진 거듭제곱 법칙 모델을 사용하여 통합 X선 광도 함수(XLF)를 구축하였다.
• 블랙홀 질량에 영향을 받지 않는 조건에서, 옵티컬 샘플 내 X선이 뚜렷한 TDE 비율(L_X ≥ 10^42 erg s⁻¹)을 통계적으로 추정하였다.
• 지연된 디스크 형성과 선로 상의 광학적 깊이 변화(두꺼움에서 얇음으로)를 비교하여, 후기 시기의 X선 밝아짐 현상을 설명하기 위한 모델을 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 옵티컬로 선택된 TDE에서 L_BB/L_X 비율의 범위와 진화는 어떻게 되며, X선으로 선택된 TDE와 비교해 볼 때 어떻게 다른가?
• RQ2 옵티컬로 발견된 TDE의 X선 광도 곡선과 스펙트럼은 X선으로 선택된 TDE와 공통된 기원을 지닌다거나, 본질적으로 다른가?
• RQ3 대부분의 옵티컬로 발견된 TDE가 X선에서 어두운 이유는 내재된 디스크 형성 지연 때문인지, 또는 관측 각도에 따라 달라지는 은폐성 때문인가?
• RQ4 TDE의 X선 광도 함수의 형태는 무엇이며, 저광도 TDE 집단의 존재에 대해 어떤 함의를 지니는가?
• RQ5 일부 소스에서 관측된 후기 시기의 X선 밝아짐 현상은 코로나 형성에 의해 설명될 수 있는가, 아니면 광학적 깊이 변화에 의해 설명될 수 있는가?

주요 결과

• 옵티컬로 선택된 TDE의 X선 광도 곡선은 다양한 시간적 행동을 보이며, 대부분의 경우 거듭제곱 법칙 감쇠를 따르지 않고, 많은 경우 후기 시기에 밝아지는 경향이 있다.
• X선 스펙트럼은 주로 매우 연한 형태이며, 내부 은하수 형성 디스크에서 기인한 열복사와 일치하며, 시간이 지남에 따라 온도가 낮아지고 안정한 원궤도의 내측 반경과 일치한다.
• 세 개의 소스에서 연한 스펙트럼에서 딱딱한 스펙트럼으로의 전이가 관측되었으며, 이는 옵티컬 피크 이후 최소 200일 후에 뜨거운 코로나가 형성되었음을 시사한다. 이 현상은 몇 달간 지속되었다.
• 초기 시기의 L_BB/L_X 비율은 넓은 범위(0.5에서 3000)를 가지며, 후기 시기에는 디스크 유사 값(0.5에서 10)으로 수렴하여 방출 성질의 연속성을 시사한다.
• 옵티컬로 발견된 TDE 중 적어도 40%는 X선이 뚜렷하다(L_X ≥ 10^42 erg s⁻¹)며, 이는 블랙홀 질량과 무관하다.
• 통합된 TDE X선 광도 함수는 깨진 거듭제곱 법칙으로 가장 잘 맞으며, 로그(L_X) ≈ 44.1 erg s⁻¹에서 붕괴점이 존재한다. 이는 현재 기기로는 고적색도에서 감지되지 않는 저광도 TDE(L_X ≤ 10^42 erg s⁻¹)의 큰 집단이 존재함을 시사한다.