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

Technische Samenvatting: Vertraagde Radio-emissie bij Tidal Disruption Events door Collisies van Outflows Gedreven door Schijfinstabiliteiten

Probleemstelling
Vertraagde radio-emissie wordt steeds vaker waargenomen bij Tidal Disruption Events (TDE's), waarbij deze vaak honderden tot duizenden dagen na de optische piek verschijnt. Terwijl directe radio-emissie doorgaans wordt toegeschreven aan de interactie van niet-relativistische outflows met het circumnucleaire medium (CNM) kort na de disruptie, blijft het mechanisme dat deze vertraagde, licht-relativistische outflows aandrijft, onzeker. Eerdere hypothesen omvatten off-axis jets, stream-stream collisies, of interacties met inhomogene CNM-wolken. Echter, de specifieke oorsprong van outflows die $\sim100$–$1000$ dagen na de disruptie worden gelanceerd, met name die welke meerdere flares of afzonderlijke late-time pieken vertonen, vereist verder theoretisch onderzoek. Dit werk stelt dat deze outflows het resultaat kunnen zijn van instabiliteiten of toestandsveranderingen in de accretieschijf die gevormd wordt door de TDE, wat leidt tot massa-uitstoten ("flares") die met elkaar of met het omringende medium botsen.

Methodologie
De auteurs modelleren de hydrodynamische evolutie en de daaropvolgende synchrotron radio-emissie als gevolg van de botsing van massa-outflows. De studie beschouwt twee primaire botsingsscenario's:

1. Flare+Flare: De botsing van twee opeenvolgende flares die vanuit de accretieschijf zijn uitgestoten met een tijdsinterval $\Delta t$.
2. Flare+CNM: De botsing van een enkele flare met het omringende circumnucleaire medium (CNM).

De eigenschappen van de outflow worden gemotiveerd door het scenario van schijfinstabiliteit zoals beschreven in A. L. Piro & B. Mockler (2025), waarbij thermische instabiliteiten in een hoog-acrerende schijf massaaties uitdrijven. De flares worden gemodelleerd met een dichtheidsprofiel $\rho_{fl} \propto r^{-2s-3}$ (waarbij $s=0.5$) en een snelheidsbereik $v_{min} < v < v_{max}$ (specifiek $0.04c$ tot $0.4c$). De auteurs onderzoeken flare-massa's ($M_{fl}$) van $0.01$ en $0.1 M_\odot$.

Voor het CNM worden twee dichtheidsprofielen getest: een constante dichtheid ($\alpha=0$) en een machtswetmatige afname ($\rho \propto r^{-2.5}$, $\alpha=2.5$), die observationeel afgeleide hellingen dekken. De hydrodynamische evolutie van de schok die door deze botsingen ontstaat, wordt berekend met behulp van massa- en momentumbehoudvergelijkingen voor een dunne schaal (thin shell). De resulterende radio-emissie wordt berekend met behulp van de synchrotronstralingstheorie, waarbij rekening wordt gehouden met free-free absorptie (FFA) en synchrotron zelfabsorptie (SSA). De modellen nemen een machtswetmatige elektronenergieverdeling aan met index $p=3$ en equipartition-parameters $\epsilon_B = \epsilon_e = 0.1$.

Belangrijkste Resultaten
De simulaties laten zien dat schokbotsingen radio-luminositeiten ($L_\nu$) kunnen produceren in de range van $10^{27}$–$10^{30}$ erg s$^{-1}$ Hz$^{-1}$ bij 6 GHz, met schoksnelheden die evolueren tussen $0.05c$ en $0.3c$ op radii van $\sim10^{17}$ cm. De morfologie van de lichtcurve is sterk afhankelijk van het type botsing en de omgevingsparameters:

• Flare+Flare Collisies: Deze produceren snel evoluerende lichtcurves met stijgende en dalende tijdschalen van $\sim10$–$100$ dagen. De piek wordt doorgaans bepaald door de SSA optische diepte die naar één daalt. Deze modellen zijn in staat om gebeurtenissen met meerdere, scherpe radio-pieken te reproduceren.
• Flare+CNM Collisies (Constante Dichtheid, $\alpha=0$): Deze modellen leveren lichtcurves die kunnen worden volgehouden over $\sim10^2$–$10^3$ dagen. De piektijd wordt over het algemeen bepaald door de Sedov-tijd (wanneer de opgezette massa gelijk is aan de flare-massa). Hogere CNM-densiteiten leiden tot snellere deceleratie en kortere piektijden.
• Flare+CNM Collisies (Machtswet, $\alpha=2.5$): Deze modellen vertonen intermediair gedrag. Bij lagere dichtheden pieken ze eerder en zijn ze zwakker; bij hogere dichtheden duren ze langer en zijn ze helderder. De piektijd wordt vaak bepaald door de SSA optische diepte, vergelijkbaar met de Flare+Flare case.

De auteurs hebben hun modelvoorspellingen vergeleken met een selectie van geobserveerde TDE's met vertraagde radio-emissie:

• PS16dtm: Wordt goed gereproduceerd door een Flare+$\alpha=0$ CNM model met $M_{fl}=0.1 M_\odot$ en $n_0=30$ cm$^{-3}$.
• ASASSN-15oi: De tweede radio-piek is consistent met een Flare+$\alpha=0$ CNM model ($M_{fl}=0.1 M_\odot$, $n_0=10^3$ cm$^{-3}$), hoewel de eerste piek waarschijnlijk een ander mechanisme vereist (bijv. stream-stream interactie).
• AT2020vwl: De tweede piek komt overeen met een Flare+$\alpha=0$ CNM model ($M_{fl}=0.01 M_\odot$, $n_0=10^2$ cm$^{-3}$).
• AT2024tvd: De twee scherpe, snel evoluerende pieken zijn zeer geschikt voor Flare+Flare modellen, wat wijst op meerdere ejectie-episoden.
• AT2019azh en AT2018zr: Deze gebeurtenissen vertonen gemengde kenmerken, waarbij enkelvoudige modellen moeite hebben om zowel de stijgende als de dalende tijdschalen simultaan te fitten, wat duidt op complexe onderliggende fysica of meerdere componenten.

Betekenis en Claims
Het artikel claimt dat de botsing van door schijfinstabiliteit gedreven outflows een levensvatbaar mechanisme is voor het voeden van de vertraagde radio-emissie die wordt waargenomen in een significante fractie van de TDE's. Specifiek:

1. Validatie van het Mechanisme: De modellen reproduceren succesvol de lichtcurves en spectrale energieverdelingen (SED's) van verschillende geobserveerde TDE's, wat de hypothese ondersteunt dat vertraagde, licht-relativistische outflows voortkomen uit accretieschijf-instabiliteiten of toestandsveranderingen.
2. Differentiatie van Scenario's: De studie biedt een kader om onderscheid te maken tussen verschillende fysieke oorsprongen op basis van de evolutie van de lichtcurve. Flare+Flare botsingen zijn uniek in staat om heldere, snel evoluerende (tijdschalen $\sim100$ d) meerdere pieken te verklaren, terwijl Flare+CNM botsingen (met name met constante dichtheid) beter de langzamere, langdurige vervalprocessen ($\sim10^3$ d) verklaren.
3. Observationele Beperkingen: De auteurs merken op dat hoewel hun modellen veel gebeurtenissen fitten, discrepanties in de SED's (bijv. de elektronische spectrale index $p$) en de stijgtijden van de lichtcurves voor sommige gebeurtenissen (bijv. ASASSN-14ae, AT2018hyz) suggereren dat niet alle vertraagde emissie met dit enkele mechanisme kan worden verklaard, of dat aanvullende fysica (zoals inverse Compton-koeling of andere dichtheidsprofielen) vereist kan zijn.

Het werk concludeert dat hoewel schijfinstabiliteiten een veelbelovende verklaring bieden voor specifieke klassen van vertraagde radio-emissie, met name die met meerdere pieken, verdere late-time radio- en multi-wavelength monitoring noodzakelijk is om de diversiteit van de oorsprong van de outflows in TDE's volledig te beperken.