[论文解读] Repeating tidal disruptions in GSN 069: Long-term evolution and constraints on quasi-periodic eruptions' models

G. Miniutti, M. Giustini+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 15, 2022

Geophysics and Gravity Measurements被引用 4

一句话总结

本研究分析了自2010年首次探测以来，GSN 069长达12年的X射线数据，揭示其准周期性爆发（QPEs）为持续时间至少1.05年的瞬态现象，具有振荡的亮度和重复周期。QPEs由一个紧凑且膨胀的区域的热辐射驱动，长期演化表明存在两次相隔约9年的重复潮汐瓦解事件（TDEs），且每次TDE前均出现前导耀斑，表明吸积盘在每次TDE后发生重组。

ABSTRACT

GSN 069 is the first galactic nucleus where quasi-periodic eruptions (QPEs) have been identified. These are high-amplitude, soft X-ray bursts recurring every ~9 hr, lasting ~1 hr, and during which the X-ray count rate increases by up to two orders of magnitude with respect to an otherwise stable quiescent level. The X-ray spectral properties and the long-term evolution of GSN 069 in the first few years are consistent with a long-lived tidal disruption event (TDE). Here we derive the properties of QPEs and of the long-term X-ray evolution in GSN 069 over the past 12 yr by studying timing and spectral X-ray data from 11 XMM-Newton, one Chandra, and 34 Swift observations on timescales ranging from minutes to years. QPEs in GSN 069 are a transient phenomenon with a lifetime > 1.05 yr. The QPE intensity and recurrence time oscillate and allow for alternating strong-weak QPEs and long-short recurrence times to be defined. In observations with QPEs, the quiescent level exhibits a quasi-periodic oscillation with a period equal to the average separation between consecutive QPEs. The QPE spectral evolution is consistent with thermal emission from a very compact region that heats up quickly and subsequently cools down via X-ray emission while expanding by a factor of ~3 in radius. The long-term evolution of the quiescent level is characterised by two repeating TDEs ~9 yr apart. We detect a precursor X-ray flare prior to the second TDE that may be associated with the circularisation phase during disc formation. A similar precursor flare is tentatively detected just before the first TDE. Future X-ray observations of GSN 069 promise that the QPE origin and the relation between QPEs and repeating TDEs in this galactic nucleus will be constrained, with consequences for the other sources where QPEs have been identified. [abridged]

研究动机与目标

• 理解自2010年首次探测以来，GSN 069在12年内的长期X射线演化特征。
• 表征GSN 069中准周期性爆发（QPEs）的特性，包括其重复周期、持续时间及谱演化。
• 研究QPEs与潮汐瓦解事件（TDEs）之间的关联，特别是重复TDEs的起源。
• 通过分析时间、谱及长期变异性模式，约束QPE的理论模型。
• 确定QPE现象是由轨道伴星还是吸积流中的内部盘不稳定性（如撕裂）所驱动。

提出的方法

• 分析了GSN 069在分钟至年时间尺度上的11次XMM-Newton、1次Chandra和34次Swift X射线观测。
• 进行时间分析以测量QPE重复周期和亮度变化，识别出强-弱QPE之间的振荡以及长-短重复周期之间的交替。
• 对QPE进行谱拟合，以建模热辐射，推导出温度演化及源区半径扩张约3倍。
• 长期追踪休眠态X射线水平，检测到与平均QPE重复周期相等的准周期振荡。
• 将长期通量衰减与TDE吸积余烬时间尺度进行比较，推断出两次相隔约9年的TDE事件。
• 在每次TDE之前识别出前导耀斑，表明吸积盘可能在TDE后发生重组或圆化。

实验结果

研究问题

• RQ1 在12年时间里，GSN 069的休眠态X射线水平的长期演化特征是什么？
• RQ2 QPE的重复周期和亮度如何随时间变化，这对其起源有何启示？
• RQ3 QPE是否与潮汐瓦解事件相关？若是，已发生多少次TDE，其时间尺度如何？
• RQ4 每次TDE前观测到的前导耀斑由何引起，其与吸积盘形成或圆化过程有何关联？
• RQ5 QPE现象能否由轨道伴星或内部盘不稳定性（如撕裂）解释？

主要发现

• GSN 069中的QPEs为瞬态现象，其最小持续时间≥1.05年，且表现出亮度和重复周期的振荡。
• 休眠态X射线水平显示出与连续QPE平均间隔相等的准周期振荡。
• QPE的谱演化与一个紧凑区域的热辐射一致，该区域快速加热并通过对X射线辐射冷却，同时半径扩张约3倍。
• 长期X射线演化揭示了两次相隔约9年的重复TDE事件，且在第二次TDE前检测到前导耀斑。
• 在第一次TDE前也观察到一个初步的前导耀斑，提示可能与吸积盘圆化或重组过程有关。
• TDE时间尺度与QPE特性之间的相似性支持一种情景：一颗轨道周期约9年的恒星发生部分瓦解，可能驱动QPE；或另一种可能是幸存的轨道天体或盘撕裂机制所致。