Delayed radio emission in tidal disruption events from collisions of outflows driven by disk instabilities

技術要約：円盤不安定性によって駆動される流出物の衝突による、潮汐破壊イベントにおける遅延電波放射

問題提起
潮汐破壊イベント（TDE）において、光学ピークから数百から数千日後に現れる遅延電波放射が頻繁に観測されている。即時的な電波放射は通常、非相対論的な流出物が破壊直後に周囲の核周囲物質（CNM）と相互作用することに起因するが、これら遅延した、弱相対論的な流出物を駆動するメカニズムは依然として不明である。従来の仮説には、オフアクシス・ジェット、ストリーム間衝突、あるいは不均質なCNM雲との相互作用などが含まれる。しかし、破壊から約100〜1000日後に放出される流出物、特に複数のフレアや明確な後期ピークを示すものの具体的な起源については、さらなる理論的調査が必要である。本研究では、これらの流出物が、TDEによって形成された降着円盤における不安定性や状態遷移に起因し、それによって生じた質量放出（「フレア」）が互いに、あるいは周囲の媒体と衝突することによって生じていると仮定する。

手法
著者らは、質量放出物の衝突に伴う流体力学的進化およびその後のシンクロトロン電波放射をモデル化している。本研究では、主に以下の2つの衝突シナリオを検討する：

1. フレア＋フレア（Flare+Flare）: 降着円盤から時間間隔 $\Delta t$ を置いて連続的に放出された2つの連続するフレアの衝突。
2. フレア＋CNM（Flare+CNM）: 単一のフレアと周囲の核周囲物質（CNM）との衝突。

流出物の特性は、高降着状態の円盤における熱的不安定性が質量放出を駆動するという A. L. Piro & B. Mockler (2025) の記述に基づいている。フレアは密度プロファイル $\rho_{fl} \propto r^{-2s-3}$ （ここで $s=0.5$）および速度範囲 $v_{min} < v < v_{max}$ （具体的には $0.04c$ から $0.4c$）を持つものとしてモデル化されている。著者らは、フレア質量 $M_{fl}$ として $0.01 M_\odot$ および $0.1 M_\odot$ を検討している。

CNMについては、2つの密度プロファイル、すなわち一定密度（$\alpha=0$）とべき乗減少（$\rho \propto r^{-2.5}, \alpha=2.5$）をテストしており、これらは観測的に推定される傾きをカバーしている。衝突によって形成される衝撃波の流体力学的進化は、薄いシェルに対する質量および運動量保存則を用いて計算される。得られる電波放射は、自由自由吸収（FFA）およびシンクロトロン自己吸収（SSA）を考慮したシンクロトロン放射理論を用いて算出される。モデルでは、電子エネルギー分布の指数 $p=3$ および等分配パラメータ $\epsilon_B = \epsilon_e = 0.1$ を仮定している。

主な結果
シミュレーションの結果、衝撃波の衝突は、半径 $\sim10^{17}$ cm において衝撃波速度が $0.05c$ から $0.3c$ の間で進化しながら、6 GHz で $10^{27}$–$10^{30}$ erg s$^{-1}$ Hz$^{-1}$ の範囲の電波光度 ($L_\nu$) を生成することが示された。光度曲線の形態は、衝突の種類と環境パラメータに強く依存する：

• フレア＋フレア衝突: これらは、上昇および減衰のタイムスケールが $\sim10$–$100$ 日程度の、急速に進化する光度曲線を生み出す。ピークは通常、SSA 光学的厚さが1に低下することによって決定される。これらのモデルは、複数の鋭い電波ピークを持つイベントを再現することが可能である。
• フレア＋CNM衝突（一定密度、$\alpha=0$）: これらのモデルは、$\sim10^2$–$10^3$ 日間にわたって維持される光度曲線をもたらす。ピークのタイムスケールは、一般にセドフ時間（掃き寄せられた質量がフレア質量と等しくなる時）によって決定される。CNMの密度が高いほど、減速は速くなり、ピークのタイムスケールは短くなる。
• フレア＋CNM衝突（べき乗、$\alpha=2.5$）: これらのモデルは中間的な挙動を示す。低密度ではより早くピークに達し、より暗くなる。高密度では、より長く続き、より明るくなる。ピークのタイムスケールは、Flare+Flare の場合と同様に、しばしば SSA 光学的厚さによって決定される。

著者らは、モデルの予測を、遅延電波放射を示す選定された観測されたTDEと比較した：

• PS16dtm: $M_{fl}=0.1 M_\odot$ および $n_0=30$ cm$^{-3}$ の Flare+$\alpha=0$ CNM モデルによって良好に再現された。
• ASASSN-15oi: 第2の電波ピークは Flare+$\alpha=0$ CNM モデル（$M_{fl}=0.1 M_\odot, n_0=10^3$ cm$^{-3}$）と一致しているが、第1のピークはおそらく異なるメカニズム（例：ストリーム間相互作用）を必要とする。
• AT2020vwl: 第2のピークは Flare+$\alpha=0$ CNM モデル（$M_{fl}=0.01 M_\odot, n_0=10^2$ cm$^{-3}$）と一致する。
• AT2024tvd: 2つの鋭く急速に進化するピークは Flare+Flare モデルによく適合しており、複数の放出エピソードを示唆している。
• AT2019azh および AT2018zr: これらのイベントは混合した特性を示しており、単一のモデルでは上昇と減衰のタイムスケールを同時に説明することが困難であり、複雑な基礎物理学または複数の成分の存在を示唆している。

意義および主張
本論文は、円盤不安定性駆動型の流出物の衝突が、かなりの割合のTDEで観測される遅延電波放射を駆動する実行可能なメカニズムであることを主張している。具体的には：

1. メカニズムの検証: モデルは、いくつかの観測されたTDEの光度曲線およびスペクトルエネルギー分布（SED）を正常に再現しており、これは、遅延した弱相対論的な流出物が降着円盤の不安定性または状態遷移に由来するという仮説を支持している。
2. シナリオの差別化: 本研究は、光度曲線の進化に基づいて、異なる物理的起源を区別するための枠組みを提供している。Flare+Flare 衝突は、明るく急速に進化する（タイムスケール $\sim100$ 日）複数のピークを説明する能力を独自に持っており、一方で Flare+CNM 衝突（特に一定密度の場合）は、より緩やかで長期間の減衰（$\sim10^3$ 日）をより良く説明する。
3. 観測的制約: 著者らは、彼らのモデルが多くのイベントに適合する一方で、一部のイベント（例：ASASSN-14ae, AT2018hyz）における SED（電子スペクトル指数 $p$ など）や光度曲線の立ち上がり時間の不一致は、すべての遅延放射がこの単一のメカニズムで説明できるわけではないこと、あるいは、追加の物理（逆コンプトン冷却や異なる密度プロファイルなど）が必要である可能性を示唆している。

本研究は、円盤不安定性が、特に複数のピークを持つ特定のクラスの遅延電波放射を説明する有望な説明策を提供する一方で、TDEにおける流出物の起源の多様性を完全に制約するためには、さらなる後期の電波および多波長モニタリングが必要であると結論付けている。