[论文解读] Radiative Emission Mechanisms of Tidal Disruption Events

Nathaniel Roth, Elena M. Rossi+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 3, 2020

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 169被引用 49

一句话总结

本文研究了潮汐撕裂事件（TDEs）中的辐射发射机制，提出光学/紫外和软X射线辐射源自快速圆化吸积盘（受喷流、再处理和康普顿化影响而改变辐射特性），或源自激波加热的椭圆碎片流。主要贡献在于通过碎片大气中不完全热化机制统一解释了近似恒定的紫外/光学色温度，使观测到的多波段光曲线与理论模型相一致。

ABSTRACT

We describe how the various outcomes of stellar tidal disruption give rise to observable radiation. We separately consider the cases where gas circularizes rapidly into an accretion disc, as well as the case when shocked debris streams provide the observable emission without having fully circularized. For the rapid circularization case, we describe how outflows, absorption by reprocessing layers, and Comptonization can cause the observed radiation to depart from that of a bare disc, possibly giving rise to the observed optical/UV emission along with soft X-rays from the disc. If, instead, most of the debris follows highly eccentric orbits for a significant time, many properties of the observed optical/UV emission can be explained by the scale of those eccentric orbits and the shocks embedded in the debris flow near orbital apocenter. In this picture, soft X-ray emission at early times results from the smaller amount of debris mass deflected into a compact accretion disc by weak shocks near the stellar pericenter. A general proposal for the near-constancy of the ultraviolet/optical color temperatures is provided, by linking it to incomplete thermalization of radiation in the atmosphere of the emitting region. We also briefly discuss the radio signals from the interaction of unbound debris and jets with the black hole environment.

研究动机与目标

• 解释潮汐撕裂事件中观测到的光学/紫外和软X射线辐射，超越标准裸吸积盘模型。
• 解决早期理论软X射线预测与观测极限之间的差异。
• 解释TDE光曲线中观测到的近似恒定的紫外/光学色温度。
• 对未束缚碎片和相对论喷流与核周介质相互作用产生的射电辐射进行建模。
• 在单一框架下统一多种辐射机制，以解释多波段光曲线。

提出的方法

• 基于初始质量回落率和后期黏性演化，建模吸积盘辐射，与观测的X射线和紫外数据进行比较。
• 引入喷流、再处理层和康普顿化作为修改裸吸积盘辐射的机制，将辐射峰值从软X射线移至紫外/光学波段。
• 分析激波加热的椭圆碎片流，将其轨道尺度和远星点激波与早期光学/紫外辐射联系起来。
• 采用解析和半解析模型，基于激波加速和能量分配，对未束缚碎片和相对论喷流产生的同步辐射射电发射进行建模。
• 应用等能分配和激波模型描述射电余晖演化，结合由逆康普顿冷却引起的时变能量输入。
• 提出与质量回落率相关的动态光球层模型，支持光谱能量分布的演化。

实验结果

研究问题

• RQ1 在TDE中，喷流、再处理和康普顿化如何改变裸吸积盘的辐射？
• RQ2 为何TDE早期演化过程中紫外/光学色温度近乎恒定？
• RQ3 在激波加热的椭圆碎片流中，哪些物理过程产生了观测到的光学/紫外辐射？
• RQ4 在TDE中，未束缚碎片和相对论喷流产生的射电辐射如何随时间演化？
• RQ5 什么解释了像Swift J1644这样的喷流型TDE射电余晖中时变的能量输入？

主要发现

• TDE中观测到的光学/紫外辐射更可能源于吸积盘的再处理和康普顿化辐射，而非裸吸积盘辐射，后者会过度预测软X射线。
• 近似恒定的紫外/光学色温度源于激波加热碎片大气中的不完全热化，而非稳定光球层。
• 早期软X射线辐射源于少量碎片质量在近星点附近弱激波作用下被导入紧凑吸积盘。
• 未束缚碎片的射电辐射可为瞬时且可探测，其特征速度约为~6000 km/s，动能约为~2×10^50 erg（对应M* ~1 M⊙）。
• 喷流型TDE（如Swift J1644）的射电余晖表现出发射区域能量随时间增加，这可由X射线通量下降导致电子逆康普顿冷却减弱来解释。
• 该模型通过将多波段TDE光曲线与灾变后质量回落率及动态调整的光球层联系起来，成功拟合了光曲线。