[论文解读] Rapid accretion state transitions following the tidal disruption event AT2018fyk

T. Wevers, Dheeraj R. Pasham+8 more|UvA-DARE (University of Amsterdam)|Jan 12, 2021

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 119被引用 56

一句话总结

本文展示对星系中潮汐扰动事件AT2018fyk进行两年的多波长监测，识别出三种吸积状态和两次转变，类似于恒星质量黑洞暴发，在超大质量黑洞系统中。

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.

研究动机与目标

• 研究TDE中的吸积率如何从静默状态演化到接近Eddington极限再回落，以及这如何映射到SMBH吸积物理。
• 描述整个事件中UV–X射线谱演化和时域特性，以识别状态转变。
• 将观测到的SMBH吸积态行为与已知的恒星质量黑洞态进行比较。
• 评估TDE是否能在对SMBH可观测的时间尺度上探测到吸积态转变。
• 评估全晶体发光Eddington分数如何与AT2018fyk的谱态及变异性相关。

提出的方法

• 在约~2年的时间内对AT2018fyk进行X射线、UV、光学和射电观测的多波长监测（XMM-Newton、Swift、NICER、Chandra、Magellan、ATCA）。
• 对宿主星系的谱能量分布进行建模，以扣除宿主星系通量并获得本征源的SED。
• 使用两分量（热成分+幂律）拟合的X射线谱建模，以跟踪盘和 corona 的贡献。
• 测量UV–X射线谱斜率alpha_ox及其随bolometric Eddington fraction f_Edd,bol的演化。
• 对X射线光曲线进行时域分析，以研究低频和高频变率及状态之间的转变。

实验结果

研究问题

• RQ1 TDEs 是否在 SMBH 中出现与恒星质量黑洞类似的吸积态转变？
• RQ2 在TDE过程中，UV–X射线谱斜率alpha_ox如何随bolometric Eddington fraction演化？
• RQ3 AT2018fyk所提出的吸积态（soft、hard、quiescent）的谱和时域特征及其转变是什么？
• RQ4 观测到的AT2018fyk行为能否约束跨越七个数量级的黑洞质量的尺度不变性和盘– corona 物理？

主要发现

• AT2018fyk在约~2年的时间里显示出三种吸积状态和两次转变，类似于恒星质量黑洞暴发。
• X射线光谱态在约L_bol ≈ a few × 10^-2 L_Edd时从soft（热主导）转为hard（幂律主导），而 corona 在UV/光学峰值后约100–200天增强。
• 随着暴发进展，UV-to-X-ray谱斜率alpha_ox 变软，且X射线时域显示在转变到hard态后从长时尺度变动转为高频成分。
• 大约在峰值后500天再次发生吸积态转变，从hard转为quiescent，表现为bolometric发射降至低于~10^-3.4 L_Edd。
• AT2018fyk观测到的吸积态行为与恒星质量BHs中观察到的吸积态密切类似，支持SMBH吸积过程的尺度不变性。
• 该研究表明TDEs是研究跨越黑洞质量七个数量级的吸积物理的工具。