[论文解读] The late flare in tidal disruption events due to the interaction of disk wind with dusty torus

Jialun Zhuang, Rong-Feng Shen|arXiv (Cornell University)|Jun 16, 2021

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 71被引用 5

一句话总结

本文提出，类星体中潮汐瓦解事件PS1-10adi在峰值后约1,500天观测到的晚期耀发，源于TDE核心高速喷流（0.1c）与活动星系核中尘埃环面碰撞形成的激波。该模型预测，喷流的动能通过强激波高效转化为辐射，利用喷流动能约10⁵¹ erg和环面密度约3×10⁷ cm⁻³，成功再现了多波段光变曲线。

ABSTRACT

A late (t $\sim$ 1,500 days) multi-wavelength (UV, optical, IR, and X-ray) flare was found in PS1-10adi, a tidal disruption event (TDE) candidate that took place in an active galactic nucleus (AGN). TDEs usually involve super-Eddington accretion, which drives fast mass outflow (disk wind). So here we explore a possible scenario that such a flare might be produced by the interaction of the disk wind with a dusty torus for TDEs in AGN. Due to the high velocity of the disk wind, strong shocks will emerge and convert the bulk of the kinetic energy of the disk wind to radiation. We calculate the dynamics and then predict the associated radiation signatures, taking into account the widths of the wind and torus. We compare our model with the bolometric light curve of the late flare in PS1-10adi constructed from observations. We find from our modeling that the disk wind has a total kinetic energy of about $10^{51}$ erg and a velocity of 0.1 c (i.e., a mass of 0.3 $M_{\odot}$); the gas number density of the clouds in the torus is $3 imes 10^{7}$ $ m cm^{-3}$. Observation of such a late flare can be an evidence of the disk wind in TDEs and can be used as a tool to explore the nuclear environment of the host.

研究动机与目标

• 解释在活动星系核中发生的潮汐瓦解事件PS1-10adi中，于初始峰值后约1,500天观测到的晚期多波段耀发的成因。
• 探究活动星系核中快速盘状喷流与尘埃环面之间的相互作用，是否可通过激波加热和辐射产生观测到的晚期耀发。
• 模拟喷流-环面碰撞的流体动力学过程与辐射特征，同时考虑两个结构的有限宽度。
• 利用PS1-10adi的总辐射光变曲线约束喷流与环面的物理参数。
• 证明此类晚期耀发可作为探测活动星系核核区环境的探针，特别是尘埃环面的结构与密度。

提出的方法

• 建立一个适用于快速、各向同性盘状喷流与尘埃环面相互作用的1维解析流体动力学模型，假设具有球对称性。
• 通过能量守恒与动量通量平衡，求解激波半径R_S随时间的变化关系，以模拟激波的形成与演化。
• 通过计算激波区域的能量耗散率，推导总辐射光度，假设辐射冷却过程高效。
• 引入喷流与环面有限宽度的影响，这些因素影响光变曲线的时序与形态。
• 利用PS1-10adi在紫外、光学、红外与X射线波段的观测光变曲线，约束模型参数，如喷流动能、速度与环面密度。
• 将模型光变曲线与观测数据对比，重点关注耀发在约100天内快速上升与衰减的特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 活动星系核中盘状喷流与尘埃环面的相互作用是否能解释PS1-10adi中观测到的晚期多波段耀发？
• RQ2 为重现观测到的耀发光变曲线，需满足哪些物理条件（如喷流速度、动能、环面密度）？
• RQ3 喷流与环面的有限宽度如何影响耀发的时序与形态？
• RQ4 为何耀发延迟约1,500天才出现，且为何上升与衰减过程如此迅速？
• RQ5 观测到的红外辐射是否与尘埃环面再处理有关，还是可能源自激波加热区域？

主要发现

• PS1-10adi的晚期耀发最合理的解释是：总动能约10⁵¹ erg、速度为0.1c的盘状喷流与尘埃环面碰撞形成的激波。
• 该模型能良好再现耀发的总辐射光变曲线，包括其在约100天内快速上升与衰减的特征，与观测高度一致。
• 环面气体数密度被约束在约3×10⁷ cm⁻³，与团块状活动星系核环面模型一致。
• 当喷流较窄而环面较宽时，模型预测的演化 timescale 与观测最为一致，避免了不切实际的过长或过短耀发持续时间。
• 预测X射线与射电辐射源自激波区域，X射线光度在峰值时可达约10⁴³ erg s⁻¹，与观测到的X射线探测结果相符。
• 强烈的红外辐射可能源于环面内尘埃的再处理过程，而非激波本身，支持Jiang等人（2019）提出的尘埃回声模型。