[論文レビュー] A model for microquasars of Population III

Pablo Sotomayor Checa, Gustavo E. Romero|arXiv (Cornell University)|Jun 12, 2019

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 62被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、超臨界降着円盤が放射圧風を駆動し、相対論的ジェットが非熱的放射を生成する、第3族星を伴うマイクロクェーサーのレプト・ハドロン的モデルを提示する。このモデルは、これらの系が強力なUV放射と高エネルギー宇宙線を放出すると予測しており、相対論的陽子および電子によって引き起こされる電磁気的カスケードが、z ≈ 10における銀河間媒体の再イオン化に顕著な寄与をすると示唆している。

ABSTRACT

Current simulations indicate that the first stars were formed predominantly in binary systems. The study of the contribution of the first accreting binary systems to the reionization and heating of the intergalactic medium requires the formulation of a concrete model for microquasars of Population III. We aim at constructing a complete model for microquasars where the donor star is of Population III. We consider that the mas-loss of the star is caused exclusively by the spill of matter through the Roche lobe towards the black hole. We calculate the spectral energy distribution of the radiation produced by the accretion disk, the radiation-pressure driven wind, and the relativistic particles in the jets, within the framework of a lepto-hadronic model. In addition, we estimate the impact on the reionization by the first microquasars. We determine that Population III microquasars are powerful sources of ultraviolet radiation produced by the winds of their super-critical disks, and generate a broadband non-thermal emission in jets. Our results indicate that microquasars in the early Universe could have been important for the reionization and heating of the intergalactic medium.

研究の動機と目的

• 金属量がゼロである第3族星を伴うマイクロクェーサーの完全な物理的モデルを構築すること。これは、恒星系内マイクロクェーサーとは異なる。
• 宇宙の暗黒時代に、これらの系が銀河間媒体（IGM）の再イオン化および加熱に果たす寄与を定量化すること。
• 初期宇宙における降着円盤および相対論的ジェットからの高エネルギー放射および宇宙線生成を推定すること。
• 相対論的陽子および電子によって引き起こされる電磁気的カスケードが、IGMをイオン化する役割を評価すること。

提案手法

• モデルは、超Eddington率でのローチューブオーバーフローによる物質移動を仮定し、降着円盤からの放射圧駆動風を生じるとする。
• 非熱的放射を計算するために、ジェット内の相対論的電子および陽子が周囲の放射場および磁場と相互作用するレプト・ハドロン的フレームワークを用いる。
• ジェットの4つの異なる領域をモデル化する：内側加速領域、バッシュ・ショック、コッコン、再束縛領域。各領域は粒子加速および放射に寄与する。
• 内部および外部の対光子吸収（γγ-衝突）を含め、特にCMBを対象として、高エネルギースペクトルの抑制を補正する。
• 降着円盤の放射、風の放射、ジェットの放射のスペクトルエネルギー分布を計算し、逆コンプトン散乱およびパイオン崩壊過程を含む。
• 初期宇宙の状態を再現するために、宇宙論的赤方偏移z = 10を採用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 第3族星を伴うマイクロクェーサーは、IGMの再イオン化に寄与する十分なUVおよび高エネルギー放射を生成できるか？
• RQ2 内部および外部の光子-光子吸収プロセスは、これらの系からの高エネルギーガンマ線の検出可能性にどのように影響するか？
• RQ3 IGM内での相対論的陽子および電子によって引き起こされる電磁気的カスケードが、イオン化に果たす寄与はどの程度か？
• RQ4 放射圧駆動風が、周囲の宇宙空間のUV再イオン化に果たす役割は何か？
• RQ5 第3族マイクロクェーサーにおけるジェット特性および粒子加速メカニズムは、銀河系マイクロクェーサーとどのように異なるか？

主な発見

• 第3族マイクロクェーサーは、主に放射圧駆動風から強力な紫外線放射を放出し、周囲の星間媒体をイオン化できる。
• 降着円盤はエネルギーが約10 keVまでのX線光子を生成するが、これらは密度の高い風によって著しく減衰し、円盤内部領域からの高エネルギー放射が抑制される。
• 内部γγ-衝突が、ジェットの最も内側領域でMeV以上のエネルギー帯域の高エネルギー放射を抑制しており、コンactな源での強い吸収を示唆している。
• 終端ジェット領域の相対論的陽子は、フォトハドロン反応を介して電磁気的カスケードを引き起こし、二次の電子・陽電子対および光子を生成し、IGMのイオン化に寄与する。
• モデルは、特にジェット内の中性子崩壊から生じる高エネルギー宇宙線および高エネルギーニュートリノの顕著な生成を予測しており、将来的な観測所で検出可能である可能性がある。
• CMBを主な光子標的にして、IGM内での相対論的レプトンおよび陽子によって引き起こされる電磁気的カスケードは、長距離再イオン化の有望なメカニズムである。