A spectacular multi-wavelength transient associated with an off-axis relativistic jet

问题与背景
许多明亮的河外瞬变源起源于通过核心塌缩、恒星合并或潮汐瓦解事件（TDEs）向黑洞（BHs）的吸积。虽然其中一些会产生高能度的多波段辐射，但强大的相对论性喷流几乎仅通过高能辐射被探测到“轴向”（on-axis）观测。目前需要识别并表征与离轴（off-axis）相对论性喷流相关的罕见瞬变源，特别是那些表现出射电与光学光度显著差异的瞬变源，以更好地理解喷流事件的种群及其中心引擎。

方法论
作者在甚大阵列巡天（VLASS）中搜索了缺乏 PanSTARRS 巡天光学对应体的射电瞬变源，特别针对射电-光学光度差异超过 1000 倍的源。他们识别出了一个瞬变源 VT 1312+2113，该源在 VLASS 第 1.1 期（2017年）未被探测到，但在第 2.1 期（2020年）及后续时期被探测到。与 Zwicky 瞬变设施（ZTF）的交叉匹配显示，其位置处存在一个光学瞬变源 AT 2019ijn，该源的发现时间大约比射电探测早一年。

本研究采用了多波段后续观测和存档分析：

• 射电： 后续观测使用 Karl G. Jansky Very Large Array (VLA) 在 2021 年至 2024 年间于 1–12 GHz 频率范围内进行。同时还分析了来自 Rapid ASKAP Continuum Survey (RACS) 和 LOFAR 的存档数据。
• 光学： ZTF 強制光度测量提供了光学光变曲线。利用 Keck 天文台的 LRIS 和 MOSFIRE 光谱仪进行的光谱后续观测确定了宿主星系的红移、金属丰度和恒星形成率。
• 建模： 作者使用同步辐射冲击波模型和离轴喷流模型对射电光谱进行了建模。他们将光学光变曲线的性质（上升时间、下降、光度、颜色）与已知的瞬变源类别（超亮超新星 SLSNe、活跃的低亮度爆发 LFBOTs、潮汐瓦解事件 TDEs、伽马射线暴超新星 GRB-SNe）进行了对比，并基于宿主星系的恒星质量利用黑洞质量标度关系进行了分析。

关键结果

• 发现： AT 2019ijn 是一个位于红移 $z = 0.273$ 的恒星形成矮星系中的瞬变源。其特征是具有明亮的光学爆发（$\nu L_{\nu, \text{opt}} \sim 10^{44}$ erg/s）和强大的、长寿命的射电对应体。
• 光学性质： 光学爆发表现出快速上升（$t_{\text{rise, rest}} \sim 7$ 天）和浅平下降（$t_{\text{dec, rest}} > 38$ 天）。峰值绝对星等为 $M_g \approx -21.1$。其光变曲线是不对称的，上升速度快于下降速度，这对于超亮超新星（SLSNe）和经典潮汐瓦解事件（TDEs）而言是不寻常的。
• 射电性质： 射电辐射在光学峰值出现约一年后出现，并持续了超过六年。射电光度达到 $\nu L_{\nu, \text{rad}} \sim 1.8 \times 10^{41}$ erg/s。射电光谱最初是平坦的（$F_\nu \propto \nu^{-0.2}$），随后演变为较陡的薄光学厚度指数（$F_\nu \propto \nu^{-1}$）。
• 宿主星系： 宿主是一个亚太阳金属丰度的矮星系，其恒星质量为 $M_* \sim (9 \pm 5) \times 10^8 M_\odot$，且恒星形成率较低（$\text{SFR} \le 0.12 M_\odot/\text{yr}$）。标度关系表明，该宿主星系拥有一个质量在 $10^4$ 到 $10^6 M_\odot$ 之间的中等质量黑洞（IMBH）。
• 建模： 球面冲击波模型无法拟合晚期的射电观测。然而，一个窄的离轴相对论性喷流模型成功重现了所有时期的射电光谱。估计该喷流能量为 $E \sim 2 \times 10^{52}$ erg，在密度剖面略陡于 $r^{-2}$ 的介质中传播。在晚期（$\sim 2000$ 天），该喷流处于轻微相对论状态（$\Gamma \sim 3$）。

主要贡献

• 识别出独特的瞬变源： 本文报告了 AT 2019ijn 是一个独特的瞬变源，它结合了短促、明亮的光学爆发与极高能、长寿命的射电余辉，这与已知的由核心塌缩驱动的爆炸截然不同。
• 离轴喷流表征： 该工作提供了对离轴观测到的相对论性喷流的详细表征，证明了此类喷流可以产生延迟且长寿命的射电辐射，这种辐射仅在减速后才变得可见。
• 物理约束： 研究将中心引擎约束为一个由黑洞驱动的系统，很可能是中等质量黑洞（IMBH, $10^4 - 10^6 M_\odot$），并排除了标准核心塌缩超新星和轴向伽马射线暴（GRB-SNe）作为主要解释的可能性。
• TDE 与合并： 尽管作者考虑了黑洞-恒星合并和喷流型 TDEs 两种可能起源，但他们更倾向于喷流型 TDE 场景。其性质符合向低质量黑洞进行超爱丁顿吸积的 TDE 特征，尽管其光学光变曲线形态（快速上升，浅平下降）对标准 TDE 模型提出了挑战。

意义
本文声称 AT 2019ijn 代表了一类前所未有的瞬变源，它排除了已知的核心塌缩爆炸情景。通过射电巡天识别该目标，突显了当前及未来的射电巡天（如 VLASS 和深空同步阵列 DSA）探测那些在高能波段不可见的离轴相对论性喷流的能力。该事件的低红移特性使得研究喷流型瞬变源的晚期演化成为可能，为研究黑洞-恒星相互作用物理以及喷流型 TDE 种群提供了一个新的窗口，而目前这类 TDE 被认为是非常罕见的（约 1% 的 TDEs）。作者得出结论，AT 2019ijn 最有可能是来自低质量黑洞的喷流型 TDE，它是轴向喷流型 TDE AT 2022cmc 的强力离轴类比。