[논문 리뷰] Radiative Emission Mechanisms of Tidal Disruption Events

Nathaniel Roth, Elena M. Rossi외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 08. 03.

Astrophysical Phenomena and Observations참고 문헌 169인용 수 49

한 줄 요약

이 논문은 tidal disruption events (TDEs)에서 복사 방출 메커니즘을 조사하며, 광학/자외선 및 소프트 X선 방출이 빠르게 원형화된 순환하는 질량 흐름과 외부 유동, 재처리 및 콜롬브화에 의해 수정된 복사, 또는 충격으로 가열된 비대칭 데브리 스트림에 의해 발생한다고 제안한다. 주요 기여는 데브리 대기에서 불완전한 열화에 기인한 근접한 일정한 자외선/광학 색온도를 통합적으로 설명함으로써 관측된 다밴드 광도곡선과 이론 모델 간의 모순을 해소하는 것이다.

ABSTRACT

We describe how the various outcomes of stellar tidal disruption give rise to observable radiation. We separately consider the cases where gas circularizes rapidly into an accretion disc, as well as the case when shocked debris streams provide the observable emission without having fully circularized. For the rapid circularization case, we describe how outflows, absorption by reprocessing layers, and Comptonization can cause the observed radiation to depart from that of a bare disc, possibly giving rise to the observed optical/UV emission along with soft X-rays from the disc. If, instead, most of the debris follows highly eccentric orbits for a significant time, many properties of the observed optical/UV emission can be explained by the scale of those eccentric orbits and the shocks embedded in the debris flow near orbital apocenter. In this picture, soft X-ray emission at early times results from the smaller amount of debris mass deflected into a compact accretion disc by weak shocks near the stellar pericenter. A general proposal for the near-constancy of the ultraviolet/optical color temperatures is provided, by linking it to incomplete thermalization of radiation in the atmosphere of the emitting region. We also briefly discuss the radio signals from the interaction of unbound debris and jets with the black hole environment.

연구 동기 및 목표

• 표준 순수한 질량 흐름 디스크 모델을 초월하여 TDE에서 관측된 광학/자외선 및 소프트 X선 방출을 설명하기 위해.
• 조기 시기 이론적 소프트 X선 예측과 관측한계 사이의 괴리를 해결하기 위해.
• TDE 광도곡선에서 관측된 거의 일정한 자외선/광학 색온도를 설명하기 위해.
• 비결합된 데브리와 상대론적 제트가 순핵 매질과 상호작용하는 전파 방출을 모델링하기 위해.
• 다양한 방출 메커니즘을 하나의 프레임워크로 통합하여 다밴드 광도곡선을 설명하기 위해.

제안 방법

• 초기 질량 후퇴율과 이후 점성 진화를 고려한 질량 흐름 디스크 방출 모델링을 수행하고, 관측된 X선 및 자외선 데이터와 비교한다.
• 외부 유동, 재처리 층, 콜롬브화를 통해 순수한 디스크 방출이 수정되는 메커니즘을 도입하여, 피크 방출이 소프트 X선에서 자외선/광학으로 이동하도록 한다.
• 충격으로 가열된 비대칭 데브리 스트림을 분석하고, 궤도 스케일과 근점에서의 충격이 조기 광학/자외선 방출과 연결됨을 규명한다.
• 충격 가속과 에너지 분배에 기반한 동역학적 및 반경량 모델을 사용하여 비결합된 데브리와 상대론적 제트에서 발생하는 싱크로트론 전파 방출을 모델링한다.
• 균형분배 및 폭발파 모델을 적용하여 전파 후광의 진화를 설명하고, 역콜롬브 냉각에 의해 시간에 따라 변화하는 에너지 입력을 통합한다.
• 질량 후퇴율에 연결된 동적인 광학 표면 모델을 제안하여 변화하는 스펙트럼 에너지 분포를 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 TDE에서 외부 유동, 재처리 및 콜롬브화는 순수한 질량 흐름 디스크의 복사에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 왜 TDE의 조기 진화 단계에서 자외선/광학 색온도가 거의 일정한가?
• RQ3 비대칭적이고 충격으로 가열된 데브리 스트림에서 관측된 광학/자외선 방출을 일으키는 물리적 과정은 무엇인가?
• RQ4 TDE에서 비결합된 데브리와 상대론적 제트에서 발생하는 전파 방출은 시간에 따라 어떻게 진화하는가?
• RQ5 Swift J1644와 같은 제트가 있는 TDE의 전파 후광에서 시간에 따라 변화하는 에너지 입력은 무엇으로 설명되는가?

주요 결과

• TDE에서 관측된 광학/자외선 방출은 순수한 디스크 방출보다 재처리 및 콜롬브화된 복사에 의해 더 잘 설명되며, 이는 소프트 X선을 과도하게 예측한다.
• 근접한 일정한 자외선/광학 색온도는 안정한 광학 표면이 아니라 충격으로 가열된 데브리 대기에서의 불완전한 열화에 기인한다.
• 조기 시기 소프트 X선 방출은 페리컨트 근처에서 약한 충격에 의해 약간의 데브리 질량이 밀도 높은 디스크로 향하는 데 기인한다.
• 비결합된 데브리에서 발생하는 전파 방출은 빠르고 검출 가능하며, 특징적인 속도는 약 6000 km/s이고 운동 에너지는 M* ~1 M⊙일 때 약 2×10^50 erg이다.
• Swift J1644와 같은 제트가 있는 TDE의 전파 후광에서는 시간이 지남에 따라 방출 영역의 에너지가 증가하며, 이는 감소하는 X선 방출로 인해 전자에 대한 역콜롬브 냉각이 감소하기 때문으로 설명된다.
• 모델은 질량 후퇴율과 동적으로 조정되는 광학 표면을 연결함으로써 다밴드 TDE 광도곡선을 성공적으로 맞춘다.