[논문 리뷰] Rapid accretion state transitions following the tidal disruption event AT2018fyk

T. Wevers, Dheeraj R. Pasham외 8명|UvA-DARE (University of Amsterdam)|2021. 01. 12.

Astrophysical Phenomena and Observations참고 문헌 119인용 수 56

한 줄 요약

본 논문은 AT2018fyk의 다파장 모니터링을 2년 간 수행하여 초대질량 블랙홀 시스템에서 항성 질량 블랙홀의 폭발에 비유되는 세 가지 축적 상태와 두 차전(transitions)을 식별했다.

ABSTRACT

Following a tidal disruption event (TDE), the accretion rate can evolve from quiescent to near-Eddington levels and back over months - years timescales. This provides a unique opportunity to study the formation and evolution of the accretion flow around supermassive black holes (SMBHs). We present two years of multi-wavelength monitoring observations of the TDE AT2018fyk at X-ray, UV, optical and radio wavelengths. We identify three distinct accretion states and two state transitions between them. These appear remarkably similar to the behaviour of stellar-mass black holes in outburst. The X-ray spectral properties show a transition from a soft (thermal-dominated) to a hard (power-law dominated) spectral state around L$_{ m bol} \sim $few $ imes 10^{-2}$ L$_{ m Edd}$, and the strengthening of the corona over time $\sim$100--200 days after the UV/optical peak. Contemporaneously, the spectral energy distribution (in particular, the UV-to-X-ray spectral slope $α_{ox}$) shows a pronounced softening as the outburst progresses. The X-ray timing properties also show a marked change, initially dominated by variability at long ($>$day) timescales while a high frequency ($\sim$10$^{-3}$ Hz) component emerges after the transition into the hard state. At late times ($\sim$500 days after peak), a second accretion state transition occurs, from the hard into the quiescent state, as identified by the sudden collapse of the bolometric (X-ray+UV) emission to levels below 10$^{-3.4}$ L$_{ m Edd}$. Our findings illustrate that TDEs can be used to study the scale (in)variance of accretion processes in individual SMBHs. Consequently, they provide a new avenue to study accretion states over seven orders of magnitude in black hole mass, removing limitations inherent to commonly used ensemble studies.

연구 동기 및 목표

• TDE에서 축적율이 무활성 상태에서 거의 Eddington 한계에 이르고 다시 돌아오는 과정이 어떻게 변화하는지와 이것이 SMBH 축적 물리학과 어떻게 대응하는지 조사한다.
• 이벤트 전체에 걸쳐 UV–X-ray 스펙트럴 진화와 타이밍 특성을 특징지어 상태 전이를 식별한다.
• AT2018fyk에서 관찰된 SMBH 축적 상태의 동작을 항성 질량 블랙홀의 알려진 상태와 비교한다.
• TDE가 SMBH에 대해 접근 가능한 시간 스케일에서 축적 상태 전이를 탐구하는 데 사용할 수 있는지 평가한다.
• 볼로메트릭 Eddington 분수와 스펙트럴 상태 및 AT2018fyk의 가변성 간의 관계를 평가한다.]
• method
• - XMM-Newton, Swift, NICER, Chandra, Magellan, ATCA를 이용한 ~2년 간의 X-ray, UV, 광학, 무선 파장 다파장 모니터링. - 호스트 은하의 플럭스 차감을 위한 호스트 은 flux를 제거하고 본질적 소스 SED를 얻기 위한 호스트 은하의 SED 모델링. - 디스크와 코로나 기여를 추적하기 위해 2성분(열적 + 파워-법칙) 피팅으로 X-ray 스펙트럼 모델링. - 볼로메트릭 Eddington 분수 f_Edd,bol에 따른 UV–X-ray 스펙트럴 경사 alpha_ox의 측정 및 진화. - 상태 간 전이를 연구하기 위한 X-ray 광변동의 타이밍 분석.
• research_questions2
• - TDE가 SMBH에서 항성 질량 블랙홀의 상태 전이와 유사한 축적 상태 전이를 보이는가?
• - TDE 중 볼로메트릭 Eddington 분수에 따라 UV–X-ray 스펙트럴 경사 alpha_ox가 어떻게 변하는가?
• - AT2018fyk에서 제안된 소프트, 하드, 무활성 상태의 스펙트럴 및 타이밍 특징은 무엇이며, 그 전이들은 어떠한가?
• - AT2018fyk의 관측된 행태가 7개의 대략 규모 차이의 블랙홀 질량에서의 규모 불변성과 원반-코로나 물리를 제약하는 데 어떤 도움을 주는가?
• key_findings
• - AT2018fyk는 약 2년 동안 세 가지 축적 상태와 두 개의 전이를 보였으며, 이는 항성 질량 블랙홀의 폭발과 유사하다.
• - X-ray 스펙트럼 상태 전이는 소프트(열우세)에서 하드(파워-법칙 우세)로 약 L_bol ≈ 몇 × 10^-2 L_Edd 수준에서 일어나며, 코로나는 UV/광학 피크 약 100–200일 후에 강해진다.
• - UV에서 X-ray로의 스펙트럴 경사 alpha_ox는 폭발이 진행될수록 연해지며, 전이가 하드 상태로 전환된 후 X-ray 타이밍에서 긴 시간 규모 변동에서 고주파 구성 요소로의 변화가 관찰된다.
• - 두 번째 축적 상태 전이는 피크 약 500일 후 하드에서 무활성으로의 전이로 보이며, 볼로메트릭 방출이 ~10^-3.4 L_Edd 아래로 붕괴되었음을 시사한다.
• - AT2018fyk에서 관찰된 축적 상태 동작은 항성 질량 BH에서 보는 축적 상태와 매우 흡사하며, SMBH 축적 과정의 스케일 불변성을 지지한다.
• - 이 연구는 7개의 차이 나는 블랙홀 질량 규모에서의 축적 물리를 연구하는 도구로서 TDE가 활용될 수 있음을 보여준다.

제안 방법

• - X-ray, UV, 광학, 무선 파장을 활용한 AT2018fyk의 약 2년 간의 다파장 모니터링(XMM-Newton, Swift, NICER, Chandra, Magellan, ATCA).
• - 호스트 flux를 빼고 본질적 소스 SED를 얻기 위한 호스트 은하의 SED 모델링.
• - 디스크 및 코로나 기여를 추적하기 위한 2성분(열적 + 파워-법칙) 피팅을 통한 X-ray 스펙트럼 모델링.
• - 볼로메트릭 Eddington 분수 f_Edd,bol에 따른 UV–X-ray 스펙트럴 경사 alpha_ox의 측정 및 진화.
• - 상태 간 전이를 연구하기 위한 X-ray 광변동의 타이밍 분석.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 TDE가 SMBH에서 항성 질량 블랙홀의 상태 전이와 유사한 축적 상태 전이를 보이는가?
• RQ2 TDE 중 볼로메트릭 Eddington 분수에 따라 UV–X-ray 스펙트럴 경사 alpha_ox가 어떻게 변하는가?
• RQ3 AT2018fyk에서 제안된 소프트, 하드, 무활성 상태의 스펙트럼 및 타이밍 특징은 무엇이며 그 전이들은 어떠한가?
• RQ4 AT2018fyk의 관측된 행태가 7개의 대략 규모 차이의 블랙홀 질량에서의 규모 불변성과 디스-코로나 물리를 제약하는 데 어떤 도움을 주는가?

주요 결과

• - AT2018fyk는 약 2년 간 세 가지 축적 상태와 두 개의 전이를 보였으며, 이는 항성 질량 블랙홀의 폭발과 유사하다.
• - X-ray 스펙트럼 상태 전이는 소프트(열 우세)에서 하드(파워-법칙 우세)로 약 L_bol ≈ a few × 10^-2 L_Edd 수준에서 일어나며, 코로나는 UV/광학 피크 약 100–200일 후에 강해진다.
• - UV에서 X-ray로의 스펙트럴 경사 alpha_ox는 폭발이 진행될수록 연해지며, 전이가 하드 상태로 전환된 후 X-ray 타이밍에서 긴 시간 규모 변동에서 고주파 구성 요소로의 변화가 관찰된다.
• - 두 번째 축적 상태 전이는 피크 약 500일 후 하드에서 무활성으로의 전이로 보이며, 볼로메트릭 방출이 ~10^-3.4 L_Edd 아래로 붕괴되었음을 시사한다.
• - AT2018fyk에서 관찰된 축적 상태 동작은 항성 질량 BH에서 보는 축적 상태와 매우 흡사하며, SMBH 축적 과정의 스케일 불변성을 지지한다.
• - 이 연구는 7개의 차이 나는 블랙홀 질량 규모에서의 축적 물리를 연구하는 도구로서 TDE가 활용될 수 있음을 보여준다.