Optical Flares in the Luminous Fast Blue Optical Transient AT2022tsd ("Tasmanian Devil")

Résumé technique : Flares optiques dans le Transitoire Optique Bleu Rapide et Luminieux AT2022tsd (« Tasmanian Devil »)

Énoncé du problème
Les Transitoires Optiques Bleus Rapides et Luminieux (LFBOTs), tels que AT2018cow, AT2022tsd et AT2020xnd, posent un défi aux modèles astrophysiques actuels. Ils se caractérisent par des temps de montée et de décroissance rapides (jours), des luminosités de pic élevées ($\gtrsim 10^{43}$ erg s$^{-1}$) et des continus bleus chauds et dépourvus de raies, distincts des supernovae à effondrement de cœur (CCSNe) et des supernovae superluminiques (SLSNe) standards. Bien que divers modèles aient été proposés — incluant le ralentissement des magnétars, l'accrétion par un trou noir, l'interaction de chocs et les événements de disruption tidale — aucun n'a réussi à expliquer de manière cohérente et autonome l'évolution rapide, les propriétés multi-longueurs d'onde (optique, rayons X, radio) et le phénomène spécifique de flares optiques rapides observés dans des événements comme AT2022tsd.

Méthodologie
Les auteurs étendent le modèle de Nova à Quarks (QN) pour expliquer les LFBOTs via un canal spécifique de « conversion partielle ». Dans ce cadre, une étoile à neutrons (EN) massive d'une masse $M_{\text{NS}} \gtrsim 1.8 M_\odot$ subit une transition de phase où son cœur interne se déconfine en matière de quarks, formant une étoile hybride hautement magnétisée (HS), ou « magnétar QCD », avec un champ de surface $B_{\text{HS}} \sim 10^{15}$ G.

Le modèle postule deux conditions critiques pour un LFBOT observable :

1. L'EN doit naître en rotation rapide (période $P_{\text{NS}} \sim$ quelques ms) ou être accélérée par accrétion.
2. La transition QN doit se produire avant que l'EN n'ait significativement ralenti ($t_{\text{QN}} < t_{\text{NS,SpD}}$), permettant à l'HS résultante d'hériter d'une rotation rapide.

Le ralentissement de l'HS alimente l'éjection d'environ $10^{-2} M_\odot$ des couches externes de l'EN (les éjectas QN) à une vitesse d'environ $0.1c$. Les auteurs modélisent l'émission optique, en rayons X et en radio en résolvant les équations de luminosité de ralentissement et le transfert radiatif à travers les éjectas. Une innovation méthodologique clé réside dans le traitement de la fragmentation des éjectas QN. Contrairement aux éjectas de fusion d'EN (arrachés de l'extérieur vers l'intérieur), les éjectas QN sont éjectés de l'intérieur vers l'extérieur et restent froids et mécaniquement cohérents. Les auteurs proposent que des inhomogénéités de densité préexistantes dans la croûte de l'EN amorcent la fragmentation lorsque le soutien par pression de radiation diminue. Ils utilisent un échantillonnage stochastique basé sur des distributions de probabilité de Weibull (WPD) pour les rayons des fragments et des distributions de temps de défaillance de Weibull (WFTD) pour les temps de formation, afin de simuler la libération de l'énergie radiative stockée lorsque les fragments deviennent optiquement minces.

Contributions et résultats clés
L'article présente un moteur physique unifié qui reproduit les courbes de lumière multi-longueurs d'onde de AT2022tsd, AT2020xnd, AT2020mrf et AT2018cow :

• Flares optiques : Le modèle attribue les flares optiques rapides (durée d'environ quelques dizaines de minutes, luminosités comparables au pic du LFBOT) à la fragmentation des éjectas QN. Au fur et à mesure que les éjectas se dilatent, des grumeaux distincts deviennent optiquement minces ($\tau_f < 1$) à l'échelle du temps de traversée de la lumière. Ces grumeaux libèrent l'énergie radiative stockée dans tout leur volume, qui était entretenue par l'injection de ralentissement de l'HS. Les auteurs démontrent qu'en ajustant le moment de la fragmentation par rapport à l'échelle de temps de transparence ($t_{\text{QN,tr}}$), le modèle peut reproduire la présence de flares (comme dans AT2022tsd) ou leur absence (comme dans AT2018cow, où la fragmentation se produit plus tôt et est éclipsée par la courbe de lumière principale).
• Émission en rayons X : Les rayons X sont générés naturellement par le vent de ralentissement relativiste de l'HS. Le rayonnement synchrotron et Compton inverse issu du vent s'échappe à travers les faibles épaisseurs optiques créées par les éjectas fragmentés, produisant l'émission intermittente en rayons X observée sans nécessiter d'hypothèses supplémentaires.
• Émission radio : L'émission radio résulte de l'interaction des éjectas QN non relativistes avec le milieu ambiant, cohérente avec les modèles standards de chocs synchrotron.
• Évolution thermique : Le modèle reproduit le continuum chaud, bleu et dépourvu de raies des LFBOTs. La température effective du corps noir évolue selon $T_{\text{BB}} \propto t^{-1/4}$ (pour $t < t_{\text{QN,d}}$) et $t^{-1/2}$ (pour $t > t_{\text{QN,d}}$), ce qui est cohérent avec les spectres observés. La composition lourde et riche en neutrons des éjectas conduit à une opacité élevée et à un mélange de raies, expliquant l'absence de caractéristiques spectrales précoces.

Signification et affirmations
Les auteurs affirment que ce cadre fournit une explication cohérente des propriétés diverses des LFBOTs, reliant les flares optiques, la variabilité en rayons X et l'émission radio à un seul moteur physique : la conversion retardée d'une EN massive en un magnétar QCD.

Les implications clés mises en avant dans l'article incluent :

• Origine distincte des fusions : Le modèle prédit que les LFBOTs peuvent se produire en isolation (via accrétion binaire) ou comme un événement retardé après une CCSN, distinctement des fusions d'étoiles à neutrons.
• Émission de type kilonova : Parce que les éjectas QN sont riches en neutrons et favorables à la nucléosynthèse du processus r, le modèle prédit que les LFBOTs devraient être accompagnés d'une émission de type kilonova dans des environnements où les fusions d'étoiles à neutrons ne sont pas attendues. Ceci est présenté comme une signature « preuve irréfutable » du canal QN.
• Statistiques de population : Le taux estimé de LFBOTs, dérivé des distributions de champ magnétique de naissance et de période de rotation des EN (environ $0,01$ du taux de CCSN), est cohérent avec les estimations observationnelles ($\lesssim 1\%$).

L'article conclut que la fragmentation des éjectas QN offre un mécanisme physiquement motivé pour les flares optiques rapides observés dans AT2022tsd, distinguant ce canal des mécanismes d'érosion tidale des fusions d'EN. Les auteurs notent que, bien que l'accord statistique avec les distributions de flares observées (via des tests Q-Q) soit préliminaire, le modèle reproduit avec succès les caractéristiques clés des courbes de lumière de plusieurs LFBOTs avec un seul ensemble de paramètres physiques.