Optical observations of candidate host galaxies of eight fast X-ray transients

Problema
I transienti X veloci (FXT) sono lampi di raggi X molli (0,3–10 keV) extragalattici della durata di minuti o ore. Mentre circa 30 FXT sono stati identificati retrospettivamente negli archivi di Chandra e XMM-Newton, e l'Einstein Probe (EP) ne sta attualmente scoprendo circa 100 all'anno, le origini di questi eventi rimangono ampiamente non vincolate. Una frazione significativa di FXT scoperti da EP manca di controparti multi-lunghezza d'onda, impedendo l'identificazione delle galassie ospiti e la derivazione dei vincoli ambientali necessari per distinguere tra i vari scenari di progenitori proposti. Tali scenari includono collapsar (gamma-ray burst lunghi), fusioni di binarie di stelle di neutroni (BNS), eventi di distruzione mareale di nana bianca con buco nero di massa intermedia (WD-IMBH TDE), shock breakout di supernova (SBO) e "dirty fireballs". La luminosità di picco nei raggi X e le proprietà della galassia ospite (massa stellare, tasso di formazione stellare, metallicità e offset) variano significamente tra questi modelli, rendendo la caratterizzazione dell'ospite uno strumento diagnostico critico.

Metodologia
Gli autori presentano osservazioni ottiche profonde da terra delle posizioni di otto FXT rilevati da Chandra, XMM-Newton, Swift ed EP. Il campione include Swift J050400.2+673405, XRT040610, XRT100424, XRT140507, XRT151121, XRT191127, XRT191223 ed EP240708a.

• Osservazioni: Immagini broadband profonde e spettroscopia a fessura lunga sono state ottenute utilizzando il Gran Telescopio Canarias (GTC), Magellan, Very Large Telescope (VLT), SOAR e Gemini South. Sono stati inoltre utilizzati dati d'archivio del Subaru Hyper Suprime-Cam (HSC).
• Identificazione dei candidati: Gli autori hanno utilizzato Source Extractor per identificare oggetti estesi entro le regioni di incertezza a 2σ delle posizioni degli FXT. Le probabilità di allineamento casuale sono state calcolate per valutare la probabilità che questi oggetti siano i veri ospiti.
• Caratterizzazione: Per i candidati identificati, gli autori hanno eseguito fotometria e fit della distribuzione spettrale di energia (SED) utilizzando il codice BAGPIPES per derivare redshift spettroscopici o fotometrici, masse stellari ($M_*$), tassi di formazione stellare (SFR), metallicità ($Z$), età della popolazione stellare e attenuazione della polvere ($A_V$).
• Analisi: Le proprietà dell'ospite derivate e le luminosità di picco nei raggi X implicite ($L_{X,peak}$) sono state confrontate con gli intervalli attesi per vari modelli di progenitori. Il campione è stato inoltre confrontato statisticamente (tramite test di Kolmogorov-Smirnov 2D) con le distribuzioni di FXT scoperti da EP e con i FXT precedentemente studiati scoperti da Chandra.

Contributi Chiave e Risultati

• Identificazione dell'ospite: Galassie ospiti candidate sono state identificate per sei degli otto FXT: Swift J050400, XRT140507, XRT040610, XRT151121, XRT191127 ed EP240708a. Per diversi eventi, sono stati trovati molteplici candidati ospiti, complicando l'assegnazione definitiva dell'origine.
• Riclassificazione di XRT191223: L'analisi spettroscopica della controparte candidata per XRT191223 ha rivelato uno spettro coerente con una stella M1 V. Combinando l'analisi della luminosità nei raggi X e della durata, gli autori concludono che XRT191223 è un flare stellare galattico, non un FXT extragalattico.
• Vincoli sui progenitori:
  • Assumendo l'associazione con i candidati identificati, tutti gli FXT sono coerenti con un TDE WD-IMBH (relativistico o non relativistico) o con una fusione BNS.
  • Due eventi (XRT100424 e XRT140507) sono coerenti con uno shock breakout di supernova (SBO).
  • Solo EP240708a è coerente con l'emissione di un cocoon da un collapsar (gamma-ray burst lungo).
  • Gli autori notano che per alcuni FXT, il vero galassia ospite potrebbe rimanere non rilevata nelle loro osservazioni, potenzialmente a redshift più elevati ($z \gtrsim 2.5$), il che altererebbe le luminosità derivate e permetterebbe diversi scenari di progenitori.
• Differenze di popolazione: Lo studio evidenzia una discrepanza tra gli FXT in questo campione (per lo più rilevati da Chandra/XMM-Newton) e quelli scoperti da EP.
  • Luminosità e durata: Gli FXT scoperti da EP mostrano generalmente luminosità di picco nei raggi X più elevate ($10^{45} - 10^{50}$ erg s$^{-1}$) e durate più brevi ($\sim 0.1$ ks) rispetto al campione Chandra/XMM-Newton (luminosità spesso $\sim 10^{42} - 10^{44}$ erg s$^{-1}$ e durate di diversi ks).
  • Confronto statistico: Un test di Kolmogorov-Smirnov 2D indica una probabilità molto bassa ($p=0.001$) che il campione di EP e il campione degli autori siano tratti dalla stessa distribuzione sottostante. Tuttavia, il campione degli autori è statisticamente coerente con i precedenti campioni di FXT scoperti da Chandra ($p=0.13$).

Significatività
Il paper conclude che gli FXT rilevati da Chandra e XMM-Newton derivano probabilmente da una varietà di origini, incluse fusioni BNS, WD-IMBH TDE e SBO. Gli autori discutono il fatto che questa popolazione appare distinta da molti FXT rilevati dall'Einstein Probe, molti dei quali sembrano coerenti con uno scenario di collapsar. Gli autori suggeriscono che questa differenza possa derivare da effetti di selezione: Chandra e XMM-Newton, con la loro alta sensibilità ma piccolo campo visivo, possono rilevare preferenzialmente gli eventi più numerosi e a bassa luminosità, mentre EP, con il suo grande campo visivo, rileva gli eventi più rari e brillanti. Alternativamente, le due popolazioni potrebbero possedere origini fondamentalmente diverse. Lo studio sottolinea la necessità di un follow-up ottico profondo per vincolare i progenitori degli FXT e evidenzia che, per gli eventi privi di ospiti chiari, la vera natura del transiente rimane ambigua a causa dei potenziali ospiti ad alto redshift non rilevati.