[논문 리뷰] The giant X-ray outbursts in NGC 5905 and IC 3599: Follow-up observations and outburst scenarios

S. Komossa, N. Bade|arXiv (Cornell University)|1999. 01. 12.

Astrophysical Phenomena and Observations인용 수 24

한 줄 요약

이 논문은 NGC 5905와 IC 3599에서 관측된 거대한 X선 폭발 현상에 대해 중심에 있는 초거대 블랙홀(SMBH)에 의한 항성의 tidal disruption가 가장 가능성 있는 메커니즘으로 제안한다. 다중 파장 관측—X선(ROSAT PSPC/HRI), 광학적 밝기 측정, 고해상도 스펙트로스코피—를 통해 NGC 5905에서 지속적인 Seyfert 활동의 증거를 발견하지 못했으며, 이는 활동성이 없는 은하 중에서 거대한 X선 폭발이 확인된 유일한 사례로, 침체된 SMBH가 활동 단계를 거친 이후의 은하에 널리 존재할 가능성이 있음을 뒷받침한다.

ABSTRACT

(abridged) Huge amplitude X-ray outbursts in a few galaxies were reported in the last few years. As one of the exciting possibilities to explain these observations, tidal disruption of a star by a supermassive black hole has been proposed. In the present paper, we perform a detailed discussion of this and other possible scenarios for the X-ray outburst in NGC 5905, and a comparison of NGC 5905 and IC 3599 in outburst as well as in quiescence. To this end we present (i) a thorough analysis of all ROSAT observations of NGC 5905, (ii) optical photometry of NGC 5905 quasi-simultaneous to the X-ray outburst, (iii) the first post-outburst optical spectra of NGC 5905 and high-resolution post-outburst spectra of IC 3599, and (iv) photoionization models for the high-excitation emission lines that were discovered in the optical outburst spectrum of IC 3599. The investigated outburst models include, besides the tidal disruption event, a supernova in dense medium, an accretion-disk instability, an event of extreme gravitational lensing, and the X-ray afterglow of a GRB. The optical spectra of both galaxies in quiescence are carefully examined for signs of permanent low-level Seyfert-activity. Whereas IC 3599 shows several signs of activity, none is revealed for NGC 5905. At present, and among the X-ray bursts, this makes NGC 5905 the only safe candidate for a tidal disruption event in an otherwise non-active galaxy. We briefly comment on a search for further highly variable objects on the basis of ROSAT observations. Several with factors 10-20 are found.

연구 동기 및 목표

• NGC 5905와 IC 3599에서 관측된 거대한 X선 폭발의 기원을 규명하고자 하며, 이 폭발은 10^42 erg/s 이상의 빛줄기 밝기와 약 100배의 변화를 보인다.
• 중앙에 있는 초거대 블랙홀(SMBH)에 의한 항성의 타이드 분해가 관측된 X선 및 광학적 특성을 설명할 수 있는지 평가하고자 한다.
• NGC 5905와 IC 3599의 침체 상태에서의 광학적 상태를 분석하여 영구적인 저수준의 은하핵 활동성(AGN)이 존재하는지 여부를 판단하고자 한다.
• 초신성 폭발, 액체 매질 내 초신성, 연료 공급 불안정성, 중력 렌즈 효과, 감마선 폭발의 X선 후광과 같은 다른 폭발 시나리오를 평가하고자 한다.
• 폭발이 활동성 은하핵(AGN) 진화의 일반적인 질문에 기여하는 바를 포함하여, 침체된 SMBH가 활동성이 없는 은하에 존재할 가능성에 미치는 영향을 조사하고자 한다.

제안 방법

• NGC 5905에 대한 ROSAT PSPC X선 관측 전반을 철저히 분석하고, 폭발 이후 X선 광도 곡선 및 스펙트럼 변화를 추적하기 위해 새로운 HRI 데이터를 확보하였다.
• X선 폭발과 연관된 광학적 대응체나 변동성을 찾기 위해 NGC 5905에 대한 근접 동시 및 장기적인 광학적 밝기 측정을 수행하였다.
• NGC 5905와 IC 3599에 대해 폭발 이후 첫 번째 고해상도 광학 스펙트럼을 확보하여 고excitation 상태의 발광선 특성을 세밀하게 분석할 수 있게 되었다.
• IC 3599의 폭발 스펙트럼에서 고excitation 상태의 발광선에 대해 photoionization 모델(Cloudy 사용)을 적용하여 이온화원과 발광 기체의 물리적 조건을 제약하였다.
• 관측 제약 조건을 바탕으로 타이드 분해, 밀도가 높은 매질 내 초신성, 디스크 불안정성, 중력 렌즈 효과, GRB 후광, 따뜻한 흡수체가 있는 숨겨진 Seyfert 핵 등 여러 폭발 시나리오를 평가하였다.
• 모든 모델이 일관되게 설명할 수 있는지 확인하기 위해, NGC 5905와 IC 3599의 X선 및 광학적 특성을 폭발 상태와 침체 상태에서 비교 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 침체 상태에서의 광학적 Seyfert 활동이 없음에도 불구하고, NGC 5905의 거대한 X선 폭발이 중심 초거대 블랙홀에 의한 항성 타이드 분해와 일치하는가?
• RQ2 IC 3599의 X선 폭발 기간 동안의 발광선 기체에 대한 photoionization 모델링을 통해 추정되는 물리적 조건(밀도, 거리, 이온화도)은 무엇인가?
• RQ3 X선 폭발 기간 동안 NGC 5905에서 검출되지 않은 광학적 변동성은 초신성 또는 디스크 불안정성과 같은 다른 시나리오를 배제하는가?
• RQ4 고폭도 X선 변동성과 따뜻한 흡수체의 존재 사이의 상관관계는 무엇이며, 이는 NGC 5905에도 적용 가능한가?
• RQ5 NGC 5905와 IC 3599의 관측된 X선 및 광학 데이터는 하나의 폭발 메커니즘으로 일관되게 설명될 수 있는가? 그리고 어떤 모델이 가장 타당한가?

주요 결과

• NGC 5905는 침체 상태에서의 광학 스펙트럼에서 Seyfert 활동의 흔적을 보이지 않으며, 발광선은 HII 유사 시스템을 나타내며, X선 폭발 기간 동안 광학적 변동성도 관측되지 않았다.
• 폭발 이후 6.3년이 지난 후속 HRI 관측에서 NGC 5905의 X선 복사율은 추가로 약 2배 감소하여 지속적인 감쇠를 보이고 있다.
• IC 3599의 폭발 스펙트럼에 대한 photoionization 모델링을 통해 기체 밀도는 n ≈ 10^9 cm^-3, 핵심으로부터의 거리는 r ≈ 0.1 pc로 추정되었으며, 이는 강력하고 균일한 이온화원에 의한 조명을 시사한다.
• IC 3599는 고이온화 발광선과 넓은 Hα 성분을 보이며, 관측 당시에 Sy 1.9 분류가 가능하지만, 폭발 후 잔여물일 가능성도 배제할 수 없다.
• 검토된 모델들 중에서 중심 초거대 블랙홀에 기반한 모델—특히 타이드 분해—만이 관측된 X선 밝기, 부드러운 스펙트럼(Γ ≈ -4), 그리고 약 100배의 변동 폭을 성공적으로 설명한다.
• NGC 5905는 활동성이 없는 은하 중에서 거대한 X선 폭발이 확인된 유일한 사례로, 침체된 SMBH가 활동 단계를 거친 이후의 은하에 널리 존재할 가능성이 있음을 뒷받침한다.