[论文解读] The X-ray and Radio Loud Fast Blue Optical Transient AT2020mrf: Implications for an Emerging Class of Engine-Driven Massive Star Explosions

Yuhan Yao, Anna Y. Q. Ho+10 more|arXiv (Cornell University)|Dec 1, 2021

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 153被引用 57

一句话总结

该论文介绍了AT2020mrf，这是一个位于红移 z = 0.1353 的极亮X射线和射电辐射的快速蓝光学暂现源（FBOT），其上升时间为3.7天，峰值绝对星等 Mg,peak = −20.0。该事件被识别为一种罕见的由中心引擎驱动的大质量恒星爆炸的成员，其能量来源于中心引擎——可能是毫秒磁星或吸积黑洞——依据是其极高的X射线光度（高达 ∼2×10⁴³ erg s⁻¹）和持续的变异性，其变异性水平比AT2018cow高出约20倍。

ABSTRACT

We present AT2020mrf (SRGe J154754.2$+$443907), an extra-galactic ($z=0.1353$) fast blue optical transient (FBOT) with a rise time of $t_{g, m rise}=3.7$ days and a peak luminosity of $M_{g, m peak}=-20.0$. Its optical spectrum around peak shows a broad ($v\sim0.1c$) emission feature on a blue continuum ($T\sim2 imes10^4$ K), which bears a striking resemblance to AT2018cow. Its bright radio emission ($ u L_ u = 1.2 imes 10^{39}\,{ m erg\,s^{-1}}$; $ u_{ m rest}= 7.4$ GHz; 261 days) is similar to four other AT2018cow-like events, and can be explained by synchrotron radiation from the interaction between a sub-relativistic ($\gtrsim0.07$-$0.08c$) forward shock and a dense environment ($\dot M \lesssim 10^{-3}\,M_\odot \,{ m yr^{-1}}$ for $v_{ m w}=10^3\,{ m km\,s^{-1}}$). AT2020mrf occurs in a galaxy with $M_\ast \sim 10^8\,M_\odot$ and specific star formation rate $\sim 10^{-10}\, { m yr^{-1}}$, supporting the idea that AT2018cow-like events are preferentially hosted by dwarf galaxies. The X-ray luminosity of AT2020mrf is the highest among FBOTs. At 35-37 days, SRG/eROSITA detected luminous ($L_{ m X}\sim 2 imes 10^{43}\,{ m erg\,s^{-1}}$; 0.3-10 keV) X-ray emission. The X-ray spectral shape ($f_ u \propto u^{-0.8}$) and erratic intraday variability are reminiscent of AT2018cow, but the luminosity is a factor of $\sim20$ greater than AT2018cow. At 328 days, Chandra detected it at $L_{ m X}\sim10^{42}\,{ m erg\,s^{-1}}$, which is $>200$ times more luminous than AT2018cow and CSS161010. At the same time, the X-ray emission remains variable on the timescale of $\sim1$ day. We show that a central engine, probably a millisecond magnetar or an accreting black hole, is required to power the explosion. We predict the rates at which events like AT2018cow and AT2020mrf will be detected by SRG and Einstein Probe.

研究动机与目标

• 对新发现的快速蓝光学暂现源（FBOT）AT2020mrf在X射线、射电和光学波段的多波段特性进行表征。
• 研究其极端X射线光度和变异性来源，其光度和变异性水平比已知的AT2018cow类事件高出约20倍。
• 基于其高能和变异性辐射，判断AT2020mrf是否由中心引擎（如毫秒磁星或吸积黑洞）驱动。
• 评估宿主星系环境及其对前身体系统的启示，特别是其对低质量、星暴矮星系的偏好。
• 基于观测到的光度和事件率约束，预测未来全天X射线巡天（如SRG和Einstein Probe）中类似事件的探测率。

提出的方法

• 利用ZTF和ATLAS强制测光服务进行多 epoch 光学测光，构建AT2020mrf的本征系光曲线。
• 分析来自SRG/eROSITA和Chandra的X射线数据，测量光度和谱型（fν ∝ν⁻⁰.⁸），以评估变异性与谱演化。
• 利用7.4 GHz（νrest）的射电光曲线，通过向前激波与致密的星周物质（CSM）相互作用的同步辐射模型，推断 ˙M ≲10⁻³ M⊙ yr⁻¹。
• 采用CSM激波爆发与冷却模型（CSM SBO+SCE）拟合光学光曲线，通过恒定方差项 σ₀² 引入系统不确定性。
• 将AT2020mrf的X射线光曲线与长暴发伽马射线暴（GRBs）和AT2018cow进行比较，评估其光度和衰减趋势。
• 利用光度函数和巡天灵敏度曲线，估算未来全天巡天中AT2018cow类和AT2020mrf类事件的探测率。

实验结果

研究问题

• RQ1 AT2020mrf在爆发后35–37天观测到的极端X射线光度（LX ∼2×10⁴³ erg s⁻¹）的起源是什么？
• RQ2 在日 timescale 上持续的X射线变异性以及软X射线谱型（fν ∝ν⁻⁰.⁸）是否表明存在中心引擎（如毫秒磁星或吸积黑洞）？
• RQ3 在7.4 GHz处的射电光度（νLν = 1.2×10³⁹ erg s⁻¹）如何约束星周介质（CSM）的性质，如质量损失率和密度？
• RQ4 AT2020mrf的宿主星系特性是什么？其特性如何支持AT2018cow类事件偏好发生在低质量、星暴矮星系中的假设？
• RQ5 在未来的X射线全天巡天（如SRG和Einstein Probe）中，AT2018cow类和AT2020mrf类事件的预期探测率是多少？

主要发现

• AT2020mrf在已知FBOT中表现出最高的X射线光度，在爆发后35–37天达到 LX ∼2×10⁴³ erg s⁻¹，比AT2018cow高出约20倍。
• X射线谱型（fν ∝ν⁻⁰.⁸）和强烈的日 timescale 变异性与中心引擎（如毫秒磁星或吸积黑洞）驱动的辐射一致。
• 在7.4 GHz（νrest）处的射电发射，νLν = 1.2×10³⁹ erg s⁻¹，最合理的解释是向前激波与致密CSM相互作用产生的同步辐射，推断出 ˙M ≲10⁻³ M⊙ yr⁻¹（对应 vw = 10³ km s⁻¹）。
• 宿主星系的恒星质量 M∗ ∼10⁸ M⊙，特定恒星形成率 ∼10⁻¹⁰ yr⁻¹，与AT2018cow类事件偏好发生在低质量、星暴矮星系的假设一致。
• 在328天时，Chandra探测到AT2020mrf的X射线光度为 LX ∼10⁴² erg s⁻¹，比AT2018cow和CSS161010高出200倍以上，且仍表现出日 timescale 的变异性。
• 本研究预测，SRG和Einstein Probe将每年探测到约1–10个AT2018cow类事件和约0.1–1个AT2020mrf类事件，依据是光度和巡天灵敏度。