[논문 리뷰] The late flare in tidal disruption events due to the interaction of disk wind with dusty torus

Jialun Zhuang, Rong-Feng Shen|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 16.

Astrophysical Phenomena and Observations참고 문헌 71인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 AGN 핵의-dusty torus와 충돌하는 고속 디스크 풍속(0.1c)으로 인해 형성된 충격파에 의해 발생한, 피크 이후 약 1,500일 경과 시점에 관측된 TDE PS1-10adi의 후기 플레어를 설명한다. 이 모델은 풍속의 운동에너지가 강한 충격파를 통해 효율적으로 복사 에너지로 전환됨을 예측하며, 풍속 운동에너지 약 10⁵¹ erg 및 토루스 밀도 약 3×10⁷ cm⁻³로 관측된 다파장 빛의 변화 곡선을 재현한다.

ABSTRACT

A late (t $\sim$ 1,500 days) multi-wavelength (UV, optical, IR, and X-ray) flare was found in PS1-10adi, a tidal disruption event (TDE) candidate that took place in an active galactic nucleus (AGN). TDEs usually involve super-Eddington accretion, which drives fast mass outflow (disk wind). So here we explore a possible scenario that such a flare might be produced by the interaction of the disk wind with a dusty torus for TDEs in AGN. Due to the high velocity of the disk wind, strong shocks will emerge and convert the bulk of the kinetic energy of the disk wind to radiation. We calculate the dynamics and then predict the associated radiation signatures, taking into account the widths of the wind and torus. We compare our model with the bolometric light curve of the late flare in PS1-10adi constructed from observations. We find from our modeling that the disk wind has a total kinetic energy of about $10^{51}$ erg and a velocity of 0.1 c (i.e., a mass of 0.3 $M_{\odot}$); the gas number density of the clouds in the torus is $3 imes 10^{7}$ $ m cm^{-3}$. Observation of such a late flare can be an evidence of the disk wind in TDEs and can be used as a tool to explore the nuclear environment of the host.

연구 동기 및 목표

• TDE PS1-10adi에서 관측된 후기 다파장 플레어의 기원을 설명하기 위해, 이는 초기 피크 이후 약 1,500일 경과 시점에 발생한다.
• AGN 내 고속 디스크 풍속과 먼지 토루스 간의 상호작용이 충격가열 및 복사에 의해 관측된 후기 플레어를 생성할 수 있는지 조사하기 위해.
• 풍속-토루스 충돌의 유체역학적 특성과 복사 신호를 모델링하여, 두 구조물의 두께를 고려한다.
• PS1-10adi의 관측된 복사광도 변화 곡선을 이용해 디스크 풍속과 토루스의 물리적 매개변수를 제약한다.
• 이러한 후기 플레어가 AGN의 핵 환경, 특히 먼지 토루스의 구조와 밀도를 탐사하는 데 사용될 수 있음을 보여준다.

제안 방법

• 구형 대칭을 가정하여, 고속이고 등방성인 디스크 풍속과 먼지 토루스 간의 상호작용을 위한 분석적 1차원 유체역학 모델을 개발한다.
• 에너지 보존 및 운동량 유량 균형을 사용하여 충격파의 반지름 R_S 를 시간 함수로 풀이함으로써 충격파 형성 및 진화를 모델링한다.
• 복사 냉각이 효율적이라고 가정하여 충격 영역 내 에너지 소산률을 계산함으로써 복사광도를 유도한다.
• 풍속과 토루스의 유한한 두께가 빛의 변화 곡선의 시기와 형태에 미치는 영향을 포함한다.
• PS1-10adi의 관측된 UV, 가시광선, 적외선 및 X선 빛의 변화 곡선을 사용하여 풍속 운동에너지, 속도 및 토루스 밀도 등의 모델 매개변수를 제약한다.
• 모델의 빛의 변화 곡선을 관측 결과와 비교하며, 약 100일 동안 급격히 상승하고 감소하는 후기 플레어의 특징에 중점을 둔다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 AGN 내 디스크 풍속과 먼지 토루스 간의 상호작용이 TDE PS1-10adi에서 관측된 후기 다파장 플레어를 설명할 수 있는가?
• RQ2 관측된 플레어의 빛의 변화 곡선을 재현하기 위해 필요한 물리적 조건(예: 풍속 속도, 운동에너지, 토루스 밀도)은 무엇인가?
• RQ3 디스크 풍속과 토루스의 유한한 두께는 플레어의 시기와 형태에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 왜 플레어가 약 1,500일 지연되어 발생하며, 왜 급격히 상승하고 감소하는가?
• RQ5 관측된 적외선 복사는 먼지 토루스에 의한 재처리에 기인한 것인지, 아니면 충격가열 영역과 관련된 것인가?

주요 결과

• PS1-10adi의 후기 플레어는 총 운동에너지 약 10⁵¹ erg, 속도 0.1c인 디스크 풍속이 먼지 토루스와 충돌하여 형성된 충격파에 의해 가장 잘 설명된다.
• 모델은 플레어의 빠른 상승과 감소(약 100일 간)를 포함하여 관측된 복사광도 변화 곡선을 관측 결과와 잘 일치시킨다.
• 토루스는 약 3×10⁷ cm⁻³의 기체 수밀도를 가지며, 클러스터형 AGN 토루스 모델과 일치한다.
• 풍속이 좁고 토루스가 넓은 경우가 관측 결과와 가장 잘 맞는 진화 timescale을 제공하며, 비현실적으로 길거나 짧은 플레어 지속시간을 피한다.
• X선 및 전파 방출은 충격 영역에서 기인할 것으로 예측되며, 피크 시 X선 복사광도는 약 10⁴³ erg s⁻¹에 도달하여 관측된 X선 검출과 일치한다.
• 강한 적외선 복사는 충격 영역 자체가 아니라 토루스 내 먼지 재처리에 기인한 것으로 보이며, Jiang 등(2019)이 제안한 먼지 에코 모델을 지지한다.