Radio Observations of the Unusual Tidal Disruption Event AT 2022wtn: a Fast and Highly Energetic Outflow

Résumé technique : Observations radio de l'événement de rupture de marée inhabituel AT 2022wtn

Problématique et contexte
Les événements de rupture de marée (TDE, pour Tidal Disruption Events) se produisent lorsqu'une étoile est déchiquetée par les forces de marée d'un trou noir supermassif (SMBH), produisant des transitoires lumineux à travers tout le spectre électromagnétique. Bien qu'une petite fraction des TDE lance des jets relativistes prompt et sur l'axe, la grande majorité (>99 %) présente des écoulements (outflows) quasi sphériques moins lumineux. Les mécanismes physiques alimentant ces écoulements radio non relativistes restent incertains, les origines proposées incluant les débris non liés, les écoulements induits par collision, les vents pilotés par l'accrétion et les transitions d'état du disque d'accrétion. Cet article répond à la nécessité de contraindre ces mécanismes en analysant l'émission radio multi-époque et multi-fréquence du TDE AT 2022wtn, qui présente des propriétés inhabituelles par rapport à la population connue de TDE radio.

Méthodologie
Les auteurs présentent des observations radio de AT 2022wtn obtenues avec le Karl G. Jansky Very Large Array (VLA) et le Giant Metrewave Radio Telescope (GMRT), couvrant une période de 97 à 866 jours après la découverte optique.

• Réduction des données : Les données ont été réduites à l'aide du progiciel Common Astronomy Software Applications (CASA). Les densités de flux ont été dérivées en ajustant des Gaussiennes elliptiques à la source, en tenant compte des incertitudes statistiques et systématiques (bootstrapping de 5 %).
• Modélisation de la distribution d'énergie spectrale (SED) : Les SED radio pour chaque époque ont été modélées comme des spectres de synchrotron auto-absorbés suivant le formalisme de Granot & Sari (2002). Les auteurs ont supposé un ordre de fréquence de coupure $\nu_m < \nu_a < \nu_c$ et ont ajusté les spectres à l'aide d'une approche de Monte Carlo par chaînes de Markov (MCMC) (emcee) pour déterminer la fréquence de pic ($\nu_p$), le flux de pic ($F_p$) et l'indice d'énergie des électrons ($p$). Une valeur moyenne de $p \approx 3,26$ a été adoptée pour la cohérence.
• Analyse d'équipartition : En utilisant les paramètres de la SED dérivés, les auteurs ont effectué une analyse d'équipartition pour estimer les propriétés physiques de l'écoulement (rayon, énergie, champ magnétique et densité électronique). Ils ont modélisé la région émettrice en utilisant deux géométries : une coquille sphérique et une région conique (angle d'ouverture $\sim 20^\circ$). L'analyse a incorporé des corrections pour les protons chauds et la distribution d'énergie spécifique des électrons rayonnants.
• Inférence de la date de lancement : En extrapolant l'évolution du rayon émetteur ($R_{eq}$) vers zéro, les auteurs ont déduit la date de lancement de l'écoulement, en supposant une période d'expansion libre.

Résultats clés

• Évolution de la courbe de lumière : La densité de flux radio a augmenté de manière significative entre 167 et 300 jours après la découverte, atteignant un pic à $\delta t \approx 300$ jours, avant de stagner et de finir par décliner. La fréquence de pic a diminué au fil du temps ($\nu_p \propto t^{-1,74}$), tandis que le flux de pic a d'abord augmenté puis a décliné.
• Paramètres physiques :
  • Modèle sphérique : Produit une vitesse d'expansion de $v \approx 0,21c$ et une énergie cinétique plafonnant à $\sim 3,8 \times 10^{49}$ erg.
  • Modèle conique : Produit une vitesse plus élevée ($v \approx 0,41c$) et une énergie plus grande ($\sim 1,8 \times 10^{50}$ erg).
  • Date de lancement : L'analyse suggère que l'écoulement a été lancé environ 138 jours après la découverte optique ($\delta t \approx 138$ jours), soit nettement plus tard que l'éruption optique initiale.
• Densité circumnucléaire : Le profil de densité circumnucléaire dérivé suit $n_{ext} \propto R^{-2,08}$, ce qui est cohérent avec d'autres TDE non relativistes.
• Exclusion de mécanismes :
  • Jet relativiste : Exclu en raison de la faible luminosité radio ($\nu L_\nu \lesssim 10^{40}$ erg/s), de l'absence d'émission X/gamma, et de la nécessité d'un angle d'ouverture de jet physiquement irréaliste ($\theta_j \lesssim 0,01^\circ$).
  • Débris non liés : Exclu car l'énergie et la vitesse inférées (énergie $\sim 10^{49}-10^{50}$ erg ; vitesse $\gtrsim 0,2c$) dépassent largement les valeurs attendues pour les débris non liés (énergie $\sim 10^{47}-10^{48}$ erg ; vitesse $\lesssim 0,06c$).
  • Écoulement induit par collision (CIO) et vent piloté par l'accrétion : Exclus car les vitesses inférées ($\beta \approx 0,21-0,41$) sont nettement plus élevées que les valeurs attendues pour ces mécanismes ($\beta \approx 0,01-0,1$). De plus, la date de lancement retardée contredit le lancement prompt attendu pour les CIO.

Conclusions et importance
L'article conclut que l'émission radio de AT 2022wtn est mieux expliquée par un écoulement sub-relativiste retardé, piloté par une transition d'état du disque d'accrétion. Ce scénario est cohérent avec l'énergie et la vitesse élevées inférées, ainsi qu'avec la date de lancement retardée. Les auteurs proposent que l'écoulement d'accrétion a subi une transition (potentiellement vers une phase retardée d'accrétion super-Eddington) autour de $\delta t \approx 138$ jours, lançant l'écoulement. Ceci est soutenu par des données multi-longueurs d'onde indiquant une circularisation rapide des débris suivie d'une phase d'accrétion retardée.

AT 2022wtn est caractérisé comme un TDE émettant en radio non relativiste exceptionnellement puissant, rejoignant une population croissante qui présente une gamme diversifiée de propriétés d'écoulement. Cette étude souligne que les modèles standards de TDE non relativistes (débris non liés, CIO, vent) peuvent ne pas rendre pleinement compte de tous les événements observés, soulignant la nécessité de poursuivre la modélisation des écoulements puissants et évolutifs ainsi que des campagnes de surveillance multi-longueurs d'onde étendues pour mieux contraindre les mécanismes d'écoulement des TDE.