Implications of the UV/optical Plateau of AT2018cow

技术摘要：AT2018cow UV/可见光平台期的意义

问题陈述
AT2018cow 是典型的明亮快速蓝色光学暂现变（LFBOT），在爆发后至少五年内表现出缓慢衰减的 UV/可见光平台期。在此阶段，其谱能量分布（SED）具有类黑体特征，色温 $T_{BB} \gtrsim 2 \times 10^4$ K，发射半径 $R_{BB} \sim 40 R_\odot$。先前的解释将其归因于紧凑天体周围的几何薄吸积盘。然而，粘性驱动的薄盘模型需要一个异常大质量的黑洞（$M \gtrsim 200 M_\odot$）才能满足关于盘压力和瑞利-金斯条件（Rayleigh-Jeans condition）的自洽性约束。这一质量要求与 XMM-Newton 的 X 射线约束存在冲突，后者在标准吸积驱动情景下将吸积者质量限制在 $M \lesssim 100 M_\odot$。这种张力使得中心引擎的性质和平台期的起源仍未得到解决。

方法论
作者提出了一个新的物理模型，其中 UV/可见光辐射源自从吸积盘内区发射的超爱丁顿风（super-Eddington wind）的光球层，并结合了由几何薄外盘进行的辐照与再处理。

• 风模型： 当全局吸积率超过爱丁顿极限（$\dot{M}_d > \dot{M}_{Edd}$）时，内盘（$r < r_{sph}$）变为几何厚盘并发射出光学厚风。风的光球层发射出类黑体谱，其色温 $T_w$ 对吸积者质量 $M$ 的依赖性较弱。
• 辐照模型： 外盘（$r > r_{sph}$）保持几何薄状态，并受到来自风光球层的粘性耗散和辐照加热。
• 自由-自由辐射： 该模型包含了电离风的自由-自由辐射，这在近红外至中红外（NIR-MIR）波段（$\lambda \sim 1\text{--}10$ $\mu$m）占主导地位。
• 拟合程序： 作者利用四波段哈勃空间望远镜（HST）光度数据在 $t \simeq 1453$ 天时对该复合模型进行拟合。他们在涵盖不同紧凑天体质量的范围（$M \in \{1.4, 5, 10, 30, 100, 300, 1000\} M_\odot$）内进行蒙特卡洛拟合，探索外盘半径（$r_d$）、吸积率（$\dot{M}_d$）和颜色修正因子（$f_{col}$）的参数空间。
• 约束条件： 模型受观测到的 UV/可见光光度、瑞利-金斯条件、盘压力自洽性以及 XMM-Newton 软 X 射线上限的约束。

主要结果

1. UV/可见光中的质量简并性： 风+辐照模型成功重现了吸积者质量从中子星（$1.4 M_\odot$）到 $\sim 100 M_\odot$ 范围内的观测到的 UV/可见光平台期。这种质量简并性产生的原因是风光球层的颜色温度对 $M$ 的依赖极弱，且颜色修正因子 $f_{col}$ 吸收了剩余的变化。因此，仅凭 HST 光度数据无法区分中子星与恒星级黑洞。
2. NIR-MIR 判别器： 虽然 UV/可见光数据存在简并，但 NIR-MIR 波段预测的自由-自由辐射在允许的质量范围内差异可达一个数量级。较低质量的吸积者（$M \lesssim 5 M_\odot$）预测的 NIR 通量（$\nu L_{\nu, ff} \propto \dot{M}_d^2 M^{-2/3}$）显著高于高质量模型。作者提供了 JWST 滤波器的具体量级预测，指出若未探测到该信号，将强烈否定低质量吸积者的假设。
3. X 射线约束： 该模型排除了吸积者质量 $M \gtrsim 100 M_\odot$ 的可能性。在此质量下，假设为准各向同性辐射，风光球层会变得足够热（$T_w \sim 5\text{--}10 \times 10^5$ K），从而产生超过 XMM-Newton 上限的软 X 射线辐射。
4. 微型潮汐瓦解事件（Micro-TDE）一致性： 推导出的盘参数（$r_d \sim 60\text{--}90 R_\odot$ 和 $\dot{M}_d$）与通过微型潮汐瓦解事件形成的盘的演化过程大致一致。在这种情景下，一颗主序星或其核心被紧凑天体潮汐瓦解，最初形成一个超爱丁顿厚的吸积盘，随后在约 1 年内转变为亚爱丁顿的薄盘状态，并在约 10 年的粘性时间尺度上演化。
5. 谱线特征： 论文估算了复合线亮度（富氦风的 HeII 1640 以及富氢风的 H$\alpha$）。这些谱线亮度随吸积者质量的增加而迅速下降，为约束吸积者质量和盘组分提供了一种潜在的光谱学方法。

意义与主张
本文声称，风+辐照模型解决了纯薄盘模型所需的高质量与 X 射线观测限制下的低质量之间的矛盾。通过放宽对大质量黑洞（$M \gtrsim 200 M_\odot$）的要求，该模型将吸积者质量范围下调至 $1.4 M_\odot$，使得中子星或恒星级黑洞作为中心引擎成为可能。

作者得出结论，AT2018cow 最自然的理解方式是一个吸积驱动的暂现变，其中一个紧凑天体与伴星发生了动力学相互作用（潮汐瓦解或合并），产生了一个长寿命的吸积盘。初始的超爱丁顿阶段通过高能风驱动 LFBOT 的峰值，而随后的辐照薄盘则维持了长达十年的平台期。论文断言，关于中心天体身份这一核心悬而未决的问题，无法仅通过 UV/可见光光度来回答，但可以通过 JWST 对 NIR-MIR 自由-自由辐射的观测以及对复合线的光谱学约束来进行决定性的测试。