[论文解读] What powers the radio emission in TDE AT2019dsg: a long-lived jet or the disruption itself?

Tatsuya Matsumoto, Tsvi Piran+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 6, 2021

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 47被引用 23

一句话总结

本文认为，潮汐瓦解事件AT2019dsg中长期存在的射电辐射是由一次突发性的恒星碎片喷流所产生的冲击加热驱动的，而非来自中心黑洞引擎的持续能量注入。随时间推移观测到的射电能量增加，是由于喷流在扫掠周围核区物质时动能转移的自然结果，等离子体分配模型显示速度和能量增长一致，与自由驰骋或弱减速的冲击波相符。关键结论是：持续能量注入并非必需，且需要精细调节；而冲击驱动模型则为射电光变曲线和谱演化提供了更简单、自洽的解释。

ABSTRACT

The tidal disruption event AT2019dsg was observed from radio to X-rays and was possibly accompanied by a high-energy neutrino. Previous interpretations have focused on continued injection by a central engine as the source of energy for radio emission. We show that continuous energy injection is unnecessary; the radio data can be explained by a single ejection of plasma that supplies all the energy needed. To support this assertion, we analyze the synchrotron self-absorbed spectra in terms of the equipartition model. Similar to previous analyses, we find that the energy in the radio-emitting region increases approximately $\propto t^{0.7}$ and the lengthscale of this region grows $\propto t$ at a rate $\simeq0.06c$. This event resembles the earliest stage of a supernova remnant: because the ejected mass is much greater than the shocked external mass, its velocity remains unchanged, while the energy in shocked gas grows with time. The radio-emitting material gains energy from the outflow, not continuing energy injection by the central object. Although energy injection from an accreting BH cannot be completely excluded, the energy injection rate is very different from the fallback luminosity, and maintaining constant outflow velocity requires fine-tuning demanding further physical explanation. If the neutrino association is real, the energy injection needed is much greater than for the radio emission, suggesting that the detected neutrino did not arise from the radio-emitting region.

研究动机与目标

• 确定TDE AT2019dsg中长期射电辐射的物理起源。
• 检验中心黑洞是否需要持续注入能量以解释随时间推移观测到的射电能量增加。
• 评估冲击驱动喷流模型与持续喷流模型在驱动射电辐射方面的可行性。
• 评估高能中微子探测结果与射电辐射区域之间的关联性影响。

提出的方法

• 应用等离子体分配模型分析同步辐射自吸收（SSA）射电谱，估算每次观测时刻射电辐射区域的半径、能量和磁场强度。
• 采用修正后的等离子体分配半径和能量表达式，包含电子能量对半径的深层牛顿依赖关系，相较于先前分析提高了准确性。
• 通过拟合SSA峰值频率和光度的时间演化，分别采用自由驰骋和减速喷流模型，推断速度和周围核区介质（CNM）密度分布。
• 将中心引擎推断的能量注入速率与回落光度进行比较，发现显著不匹配，表明持续注入需要精细调节。
• 通过VLBI观测评估冲击模型的一致性，结果显示无相对论喷流的证据。
• 通过比较中微子产生所需的喷流光度与射电辐射推断的光度，评估中微子关联性，发现存在巨大差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 中心黑洞是否必须持续注入能量才能解释AT2019dsg中不断增加的射电光度？
• RQ2 在无持续中心活动的情况下，是否能用单次等离子体喷流解释观测到的射电谱峰时间演化？
• RQ3 所推断的周围核区介质（CNM）密度分布是怎样的？其如何约束喷流动力学？
• RQ4 IceCube探测到的高能中微子是否与射电辐射区域相关？其所需的能量预算是否支持这一关联？
• RQ5 与持续喷流模型相比，冲击驱动模型是否提供了更简单且更物理自洽的解释？

主要发现

• 等离子体分配半径随时间呈∝t增长，表明为冲击驱动喷流，自由驰骋模型下速度约为13,000 km s−1。
• 射电辐射区域的能量随时间呈∝t^0.7增长，与吸积周围核区物质产生的冲击加热一致，而非持续注入。
• 由于在等离子体分配公式中引入了深层牛顿修正，推断的周围核区介质（CNM）密度比Cendes等人（2021）先前估计值低约5倍。
• 若采用持续能量注入，将需要精细调节的能量输入速率，该速率与回落光度不匹配，且会生成未观测到的逆向冲击波。
• 产生探测到的中微子所需的喷流光度约为3×10^44 erg s−1，比由射电辐射推断的能量预算高出三个数量级，因此两者存在直接关联的可能性极低。
• 观测到的射电演化最自然地解释为一次恒星碎片喷流的动能逐渐传递至激波区域，类似于超新星遗迹的早期阶段。