[論文レビュー] The X-ray and Radio Loud Fast Blue Optical Transient AT2020mrf: Implications for an Emerging Class of Engine-Driven Massive Star Explosions

Yuhan Yao, Anna Y. Q. Ho+10 more|arXiv (Cornell University)|Dec 1, 2021

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 153被引用数 57

ひとこと要約

本論文は、z = 0.1353に位置する非常に明るいX線および電波輝度を持つ速い青光学的瞬時変星（FBOT）AT2020mrfを提示する。この現象は3.7日間の上昇時間とピーク絶対等級 Mg,peak = −20.0 を示し、中心に駆動される巨大星の爆発という極めてまれなクラスに属するものである。これは、極めて高いX線輝度（最大で ∼2×10⁴³ erg s⁻¹）と持続的な変動性を示しており、AT2018cowを約20倍上回っている。この特徴は、中心にミリ秒マグネターまたは降着するブラックホールである可能性の高いエネルギー源（中心駆動源）によって駆動されていると考えられる。

ABSTRACT

We present AT2020mrf (SRGe J154754.2$+$443907), an extra-galactic ($z=0.1353$) fast blue optical transient (FBOT) with a rise time of $t_{g, m rise}=3.7$ days and a peak luminosity of $M_{g, m peak}=-20.0$. Its optical spectrum around peak shows a broad ($v\sim0.1c$) emission feature on a blue continuum ($T\sim2 imes10^4$ K), which bears a striking resemblance to AT2018cow. Its bright radio emission ($ u L_ u = 1.2 imes 10^{39}\,{ m erg\,s^{-1}}$; $ u_{ m rest}= 7.4$ GHz; 261 days) is similar to four other AT2018cow-like events, and can be explained by synchrotron radiation from the interaction between a sub-relativistic ($\gtrsim0.07$-$0.08c$) forward shock and a dense environment ($\dot M \lesssim 10^{-3}\,M_\odot \,{ m yr^{-1}}$ for $v_{ m w}=10^3\,{ m km\,s^{-1}}$). AT2020mrf occurs in a galaxy with $M_\ast \sim 10^8\,M_\odot$ and specific star formation rate $\sim 10^{-10}\, { m yr^{-1}}$, supporting the idea that AT2018cow-like events are preferentially hosted by dwarf galaxies. The X-ray luminosity of AT2020mrf is the highest among FBOTs. At 35-37 days, SRG/eROSITA detected luminous ($L_{ m X}\sim 2 imes 10^{43}\,{ m erg\,s^{-1}}$; 0.3-10 keV) X-ray emission. The X-ray spectral shape ($f_ u \propto u^{-0.8}$) and erratic intraday variability are reminiscent of AT2018cow, but the luminosity is a factor of $\sim20$ greater than AT2018cow. At 328 days, Chandra detected it at $L_{ m X}\sim10^{42}\,{ m erg\,s^{-1}}$, which is $>200$ times more luminous than AT2018cow and CSS161010. At the same time, the X-ray emission remains variable on the timescale of $\sim1$ day. We show that a central engine, probably a millisecond magnetar or an accreting black hole, is required to power the explosion. We predict the rates at which events like AT2018cow and AT2020mrf will be detected by SRG and Einstein Probe.

研究の動機と目的

• AT2020mrfという新規に発見された速い青光学的瞬時変星（FBOT）のX線、電波、光学バンドにおける多波長的性質を同定すること。
• AT2018cowに類似する既知の現象をはるかに上回る、その極めて高いX線輝度と変動性の起源を調査すること。
• エネルギー的かつ変動的な放射に起因する、中心駆動源（例えばミリ秒マグネターまたは降着ブラックホール）による駆動が成立するかを検証すること。
• 宿主銀河環境の評価と、特に低質量で星形成が活発な矮星銀河に好まれる傾向を示すプロキシマシステムへの影響を検討すること。
• 観測された輝度と発生率の制約に基づき、将来的な全天X線サーベイ（SRGおよびEinstein Probe）における同様の現象の検出率を予測すること。

提案手法

• ZTFおよびATLASの強制的光度測定サービスを用いて、AT2020mrfのrestフレーム光曲線を構築するための複数エポックにわたる光学的光度測定を実施した。
• SRG/eROSITAおよびChandraからのX線データを分析し、輝度とスペクトル形状（fν ∝ν⁻⁰.⁸）を測定することで、変動性とスペクトル的進化を評価した。
• 7.4 GHz（νrest）における電波光曲線を用いて、密度の高い周囲星間物質（CSM）と相互作用する前方シャワーからのシンクロtron放射をモデル化し、˙M ≲10⁻³ M⊙ yr⁻¹を推定した。
• CSM衝撃波ブレイクおよび冷却モデル（CSM SBO+SCE）を用いて光学光曲線をフィットさせ、系統的不確実性を定数分散項 σ₀² を用いて組み込んだ。
• AT2020mrfのX線光曲線を長期間ガンマ線バースト（GRBs）およびAT2018cowのものと比較し、輝度と減衰傾向を評価した。
• 輝度関数とサーベイ感度曲線を用いて、将来的な全天サーベイにおけるAT2018cowに類似したおよびAT2020mrfに類似した現象の検出率を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 AT2020mrfで観測された極めて高いX線輝度（LX ∼2×10⁴³ erg s⁻¹）は、爆発後35–37日目に観測されたが、その起源は何か？
• RQ2 日単位のスケールでの持続的なX線変動性と、軟らかめのX線スペクトル（fν ∝ν⁻⁰.⁸）は、ミリ秒マグネターまたは降着ブラックホールのような中心駆動源の存在を示唆するか？
• RQ3 7.4 GHzにおける電波輝度（νLν = 1.2×10³⁹ erg s⁻¹）は、周囲星間物質（CSM）の性質（質量放出率や密度）をどのように制約するか？
• RQ4 AT2020mrfの宿主銀河の性質は何か？また、AT2018cowに類似した現象が低質量で星形成が活発な矮星銀河に好まれるという仮説をどのように支持するか？
• RQ5 SRGおよびEinstein Probeなどの将来のX線全天サーベイにおいて、AT2018cowに類似したおよびAT2020mrfに類似した現象の予想検出率は何か？

主な発見

• AT2020mrfは、既知のFBOTの中で最高のX線輝度を示し、爆発後35–37日にはLX ∼2×10⁴³ erg s⁻¹に達しており、AT2018cowを約20倍上回っている。
• X線スペクトル（fν ∝ν⁻⁰.⁸）と顕著な日単位のスケールでの変動性は、ミリ秒マグネターまたは降着ブラックホールのような中心駆動源が放射を駆動していることを支持する。
• 7.4 GHz（νrest）における電波放射（νLν = 1.2×10³⁹ erg s⁻¹）は、密度の高いCSMと相互作用する前方シャワーからのシンクロtron放射によって最もよく説明され、vw = 10³ km s⁻¹の場合に ˙M ≲10⁻³ M⊙ yr⁻¹ であると示唆する。
• 宿主銀河の星質量は M∗ ∼10⁸ M⊙、特異的星形成率は ∼10⁻¹⁰ yr⁻¹ であり、AT2018cowに類似した現象が低質量で星形成が活発な矮星銀河に好まれるという仮説と整合的である。
• 328日目には、ChandraがAT2020mrfをLX ∼10⁴² erg s⁻¹で検出しており、これはAT2018cowやCSS161010を200倍以上上回る輝度であり、日単位のスケールでの変動性が継続している。
• 本研究では、SRGおよびEinstein Probeが、AT2018cowに類似した現象を年間約1–10件、AT2020mrfに類似した現象を年間約0.1–1件の割合で検出すると予測している。これは、輝度とサーベイ感度の制約に基づいている。