[논문 리뷰] The first systematically identified repeating partial tidal disruption event

Jean J. Somalwar, Vikram Ravi외 14명|arXiv (Cornell University)|2023. 10. 05.

Astrophysical Phenomena and Observations인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 제어된 설문 조사에서 발견된 첫 번째 체계적으로 규명된 반복적인 부분 tidal 파괴 사건(pTDE), AT 2020vdq를 제시한다. 이 소스는 초기 검출 후 약 3년 뒤에 빛나는 빠른 광학 플레어를 보였으며, 이는 넓은 광학/자외 방출(~0.1c)과 약한 X선을 수반했고, 새로운 라디오 방출은 관측되지 않았다. 이는 유 bound된 별 잔여물이 반복 궤도를 도는 pTDE임을 확인한다. 연구 결과는 원천이 아마도 이심도가 높은 이중성계의 별이 Hills 메커니즘에 의해 파괴된 것으로 추정되며, pTDE의 발생률이 10⁻⁶–10⁻⁵ yr⁻¹ galaxy⁻¹ 수준임을 제약한다. 이는 핵부에서 이중성의 비율이 몇 퍼센트 수준임을 암시한다.

ABSTRACT

Tidal disruption events (TDEs) occur when a star enters the tidal radius of a supermassive black hole (SMBH). If the star only grazes the tidal radius, a fraction of the stellar mass will be accreted in a partial TDE (pTDE). The remainder can continue orbiting and may re-disrupted at pericenter, causing a repeating pTDE. pTDEs may be as or more common than full TDEs (fTDEs), yet few are known. In this work, we present the discovery of the first repeating pTDE from a systematically-selected sample, AT\,2020vdq. AT\,2020vdq was originally identified as an optically- and radio-flaring TDE. Around $3$ years after its discovery, it rebrightened dramatically and rapidly in the optical. The optical flare was remarkably fast and luminous compared to previous TDEs. It was accompanied by extremely broad (${\sim}0.1c$) optical/UV spectral features and faint X-ray emission ($L_X \sim 3 imes10^{41}$\,erg\,s$^{-1}$), but no new radio-emitting component. Based on the transient optical/UV spectral features and the broadband light curve, we show that AT\,2020vdq is a repeating pTDE. We then use it to constrain TDE models; in particular, we favor a star originally in a very tight binary system that is tidally broken apart by the Hills mechanism. We also constrain the repeating pTDE rate to be $10^{-6}$ to $10^{-5}$ yr$^{-1}$ galaxy$^{-1}$, with uncertainties dominated by the unknown distribution of pTDE repeat timescales. In the Hills framework, this means the binary fraction in the galactic nucleus is of the order few percent.

연구 동기 및 목표

• 제어된 설문 조사에서 체계적으로 발견된 첫 번째 반복적인 부분 tidal 파괴 사건(pTDE)을 규명하고 특성화하는 것.
• AT 2020vdq에서 두 번째 광학 플레어의 물리적 기원을 규명하여 pTDE와 초신성 등의 대체 임시 사건 기원을 구분하는 것.
• 관측된 반복 시간 스케일을 이용해 pTDE의 발생률을 제약하고, 은하핵에서 이중성의 비율을 추정하는 것.
• 다중 플레어 동안 스펙트럼 및 광도 곡선의 진화를 분석하여 TDE 모델을 시험하고, 특히 응집 동역학과 디스크 형성에 초점을 맞추는 것.

제안 방법

• 후보 TDE를 규명하기 위해 광학 및 라디오 플레어를 보이는 임시 사건들을 체계적으로 조사하는 설문 조사 수행, AT 2020vdq 포함.
• 다중 파장 광도 곡선(O, UV, X선, 라디오) 및 여러 시점의 스펙트로스코픽 데이터 분석을 통해 플레어의 반복성과 스펙트럼 진화를 탐지.
• 속도 너비(~0.1c) 및 선형형태(예: 넓은 He II, N III)를 사용해 고속의 기체 분출 및 TDE에 일치하는 응집 동역학을 추론.
• X선 및 라디오 상한선(예: Swift/XRT 및 VLA)을 적용하여 플레어 이후 새로운 응집 또는 제트 활동을 배제.
• SNID를 사용해 재발광 이후 스펙트럼을 모델링하여 Type Ia 초신성 오염 여부를 테스트하고, 피크 후 약 30일째에 87%의 일치를 발견.
• 33개의 은하 샘플에서 TDE 및 초신성 사건이 동시에 발생할 가능성을 계산하여, 두 번째 플레어가 pTDE인지 초신성인지의 의미를 평가.

Figure 1: The optical and UV lightcurves for the first ( top ) and second ( bottom ) flares from AT 2020vdq. Observations are shown as scattered points. The best-fit parameteric, evolving black body models, as described in Section 3.1 are shown as solid lines.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 AT 2020vdq는 진정으로 반복적인 부분 tidal 파괴 사건인가? 그 반복성에 대한 증거는 무엇인가?
• RQ2 AT 2020vdq에서 두 번째로 빛나고 매우 빠르게 변화하는 광학 플레어를 설명하는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 두 번째 플레어가 pTDE가 아니라 Type Ia 초신성일 가능성은 있으며, 그 공존의 가능성은 얼마나 높은가?
• RQ4 관측된 반복 시간 스케일과 플레어 특성은 은하핵에서의 이중성 비율에 어떤 제약을 둔다?
• RQ5 스펙트럼 특성(예: 넓은 선, N III)과 X선/라디오 상한선은 현재 TDE 모델의 타당성을 어떻게 정보를 제공하는가?

주요 결과

• AT 2020vdq는 제어된 설문 조사에서 체계적으로 규명된 첫 번째 반복적인 부분 tidal 파괴 사건으로, 초기 검출 후 약 3년 뒤에 두 번째 광학 플레어가 관측되어 확인되었다.
• 두 번째 플레어는 매우 빛나고 빠르게 변화하는 특징을 보였으며, 어떤 알려진 TDE보다도 낮은 블랙바디 온도를 보였고, 매우 넓은 광학/자외 방출(~0.1c)을 나타냈다.
• X선 방출은 약한 수준(L_X ~ 3×10⁴¹ erg s⁻¹)이었고, 새로운 라디오 방출은 관측되지 않아, 새로운 제트 또는 응집 디스크 형성 가능성을 배제했다.
• 스펙트럼 분석에서 TDE에서 이전에 관측되지 않은 넓은 특징(약 5000 Å 및 5500 Å 부근)이 확인되었으며, 이는 pTDE 기원과 일치하며 표준 초신성과는 다릅니다.
• 재발광 이후 스펙트럼은 약 피크 후 30일째에 Type Ia 초신성 모델에 가장 잘 맞았으며(87% 일치), 그러나 좁은 선이 없고 플레어 발생 시점이 pTDE 해석을 지지한다.
• pTDE 발생률은 10⁻⁶–10⁻⁵ yr⁻¹ galaxy⁻¹ 수준으로 제약되었으며, 이는 핵부에서 이중성의 비율이 몇 퍼센트 수준임을 암시하며, 이는 별의 이중성 파괴가 Hills 메커니즘에 의해 발생함을 일관되게 뒷받침한다.

Figure 2: The radio evolution of AT 2020vdq. The black scatter points show a VLA observation from 500 days after the initial flare, or equivalently 470 days before the second flare. The red scatter points show a VLA observations from eight days after the rebrightening. The green upper limit shows a