[论文解读] The giant X-ray outbursts in NGC 5905 and IC 3599: Follow-up observations and outburst scenarios

S. Komossa, N. Bade|arXiv (Cornell University)|Jan 12, 1999

Astrophysical Phenomena and Observations被引用 24

一句话总结

本文研究了NGC 5905和IC 3599中的巨大X射线爆发，提出中心超大质量黑洞（SMBH）对恒星的潮汐撕裂作用是最可能的机制。通过多波段后续观测——X射线（ROSAT PSPC/HRI）、光学测光和高分辨率光谱——发现NGC 5905中不存在持续的赛弗特活动迹象，使其成为唯一已确认具有巨大X射线爆发的非活动星系，支持了休眠SMBH在经历过活动阶段的星系中普遍存在的假设。

ABSTRACT

(abridged) Huge amplitude X-ray outbursts in a few galaxies were reported in the last few years. As one of the exciting possibilities to explain these observations, tidal disruption of a star by a supermassive black hole has been proposed. In the present paper, we perform a detailed discussion of this and other possible scenarios for the X-ray outburst in NGC 5905, and a comparison of NGC 5905 and IC 3599 in outburst as well as in quiescence. To this end we present (i) a thorough analysis of all ROSAT observations of NGC 5905, (ii) optical photometry of NGC 5905 quasi-simultaneous to the X-ray outburst, (iii) the first post-outburst optical spectra of NGC 5905 and high-resolution post-outburst spectra of IC 3599, and (iv) photoionization models for the high-excitation emission lines that were discovered in the optical outburst spectrum of IC 3599. The investigated outburst models include, besides the tidal disruption event, a supernova in dense medium, an accretion-disk instability, an event of extreme gravitational lensing, and the X-ray afterglow of a GRB. The optical spectra of both galaxies in quiescence are carefully examined for signs of permanent low-level Seyfert-activity. Whereas IC 3599 shows several signs of activity, none is revealed for NGC 5905. At present, and among the X-ray bursts, this makes NGC 5905 the only safe candidate for a tidal disruption event in an otherwise non-active galaxy. We briefly comment on a search for further highly variable objects on the basis of ROSAT observations. Several with factors 10-20 are found.

研究动机与目标

• 确定NGC 5905和IC 3599中巨大X射线爆发的起源，其光度超过10^42 erg/s，且具有约100倍的变异性。
• 评估中心超大质量黑洞（SMBH）对恒星的潮汐撕裂是否能解释这些爆发的观测X射线和光学特性。
• 检查NGC 5905和IC 3599在休止状态下的光学状态，以确定其是否拥有持续的低水平活动星系核（AGN）活动。
• 评估其他爆发情景的可能性，包括致密介质中的超新星、吸积盘不稳定性、引力透镜效应以及伽马射线暴的X射线余晖。
• 探讨爆发对星系中休眠SMBH存在的意义，从而为AGN演化这一更广泛问题做出贡献。

提出的方法

• 对NGC 5905的所有ROSAT PSPC X射线观测进行了全面分析，并获取了新的HRI数据，以追踪爆发后的X射线光 light curve 和光谱演化。
• 对NGC 5905进行了准同时和长期的光学测光，以搜寻与X射线爆发相关的光学对应体或变异性。
• 获取了NGC 5905和IC 3599的首次爆发后高分辨率光学光谱，使发射线特性得以详细分析。
• 利用Cloudy程序对IC 3599爆发光谱中的高激发发射线应用光致电离模型，以约束电离源和发光气体的物理条件。
• 基于观测约束，评估了多种爆发情景，包括潮汐撕裂、致密介质中的超新星、盘面不稳定性、引力透镜效应、GRB余晖以及被温吸收体遮蔽的隐藏赛弗特星系核。
• 比较NGC 5905和IC 3599在爆发态和休止态下的X射线与光学特性，以识别区分性特征，并评估各模型的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在未检测到光学赛弗特活动的前提下，NGC 5905的巨大X射线爆发是否与中心超大质量黑洞对恒星的潮汐撕裂一致？
• RQ2 通过光致电离建模，NGC 5905和IC 3599中IC 3599爆发期间发射线气体的物理条件（密度、距离、电离度）如何？
• RQ3 NGC 5905在X射线爆发期间未检测到可探测的光学变异性，是否可排除超新星或盘面不稳定性等其他情景？
• RQ4 高振幅X射线变异性与温吸收体存在的相关性具有何种意义？该相关性是否适用于NGC 5905？
• RQ5 NGC 5905和IC 3599的观测X射线和光学数据能否由单一爆发机制一致解释？哪些模型最具可行性？

主要发现

• NGC 5905在其休止态光学光谱中未表现出赛弗特活动的任何迹象，发射线显示为HII样系统，且在X射线爆发期间未检测到光学变异性。
• NGC 5905爆发后6.3年的HRI观测显示，X射线流量进一步降低了约2倍，表明衰减仍在持续。
• 对IC 3599爆发光谱的光致电离建模得出气体密度n ≈ 10^9 cm^-3，距离核心r ≈ 0.1 pc，表明其被一个强而紧凑的电离源照亮。
• IC 3599表现出高电离态发射线和一个展宽的Hα成分，表明其在观测时可能为Sy 1.9型，尽管不能完全排除爆发后残余物的存在。
• 在所测试的模型中，仅涉及中心超大质量黑洞的模型——特别是潮汐撕裂——能成功解释观测到的X射线光度、软谱（Γ ≈ -4）和约100倍的变异性幅度。
• NGC 5905被确认为唯一已知具有巨大X射线爆发的非活动星系，支持了休眠SMBH在曾经历活动阶段的星系中普遍存在的假设。