[論文レビュー] Dissecting the broadband emission from γ-ray blazar PKS 0735+178 in search of neutrinos

Raj Prince, Saikat Das+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 16, 2023

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 44被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、γ線ブラザールPKS 0735+178が多波長フレアを示した際の広帯域スペクトルエネルギー分布（SED）をモデル化し、外部光子場を伴う1ゾーンのレプト・ヘドロニックモデルに光核反応（pγ）相互作用を組み込み、潜在的なニュートリノ連関を説明する。IceCubeにおけるニュートリノイベントレートは0.12/100日と予測され、二次電子からのX線放射によって制約を受け、全体の放射度が低くてもX線とニュートリノのflux間に妥当な相関が見られることが判明した。

ABSTRACT

The origin of the diffuse flux of TeV-PeV astrophysical neutrinos is still unknown. The $γ$-ray blazar PKS 0735+178, located outside the 90\% localization region at 2.2 deg from the best-fit IC-211208A event, was found to be flaring across all wavebands. In addition to leptonic synchrotron (SYN) and synchrotron self-Compton (SSC) emission, we invoke photohadronic ($pγ$) interactions inside the jet to model the spectral energy distribution (SED) and neutrino emission. We analyze the 100 days $γ$-ray and X-ray data and 10 days around the neutrino event is chosen to generate the broadband SED. The temporal light curve indicates that the source was in a high state in optical, UV, $γ$-ray, and X-ray frequencies during the neutrino detection epoch. In the one-zone lepto-hadronic model, the SSC photons do not provide enough seed photons for $pγ$ interactions to explain the neutrino event. However, including an external photon field yields a neutrino event rate of 0.12 in 100 days, for the IceCube detector, using physically motivated values of the magnetic field, an external photon field peaking at optical wavelength, and other jet parameters. The radiation from secondary electrons at X-ray energies severely constrains the neutrino flux to a lower value than found in previous studies. Moreover, the flux of high-energy $γ$-rays at GeV energies from the decay of neutral pions is subdominant at the high-energy peak of the SED, suggesting a higher correlation of neutrinos flux with X-ray flux is plausible.

研究の動機と目的

• IceCubeのニュートリノイベントIC-211208A（PKS 0735+178から2.2°離れている）の起源を、γ線、X線、UV、光学帯域における広帯域放射のモデリングによって解明すること。
• 標準的一ゾーンSSCモデルでは十分なシード光子が不足する状況下で、ジェット内での光核反応（pγ）相互作用が観測されたニュートリノイベントを説明できるかどうかを検証すること。
• 特にX線エネルギー領域での放射に寄与するpγ相互作用によって生成される二次電子の放射を組み込むことで、ニュートリノフラックスを制約すること。
• ジェット出力と外部光子場の要件を考慮し、このブラザールが拡散的高エネルギーニュートリノ背景の源として現実的に可能かどうかを評価すること。

提案手法

• 100日間のフレア期間中のPKS 0735+178の広帯域SEDに、1ゾーンのレプト・ヘドロニックモデルを適合させ、シンクロtron（SYN）、シンクロtron自己コンプトン（SSC）、外部コンプトン（EC）放射成分を含む。
• 高エネルギーニュートリノ生成の主なメカニズムとして、外部黒体場（ピーク波長が可視光域）が供給するシード光子を伴う光核反応（pγ）相互作用を組み込む。
• pγ相互作用で生成される二次電子からの放射をモデルに組み込み、これがX線バンドに顕著に影響を与え、許容可能なニュートリノフラックスを強く制約する。
• 磁場、サイズ、ボリュームローレンツ因子、および陽子注入スペクトルなどのジェットパラメータを、観測データと物理的整合性のチェックによって制約する。
• IC-211208Aイベントの周囲100日間の観測ウィンドウを想定し、得られたニュートリノフラックスを用いてIceCube検出器におけるニュートリノイベントレートを計算する。
• 二次電子放射に起因するX線放射が、最大許容ニュートリノフラックスを制限するため、X線フラックスからの制約をモデルに組み込む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準的SSCコンポonentに十分なシード光子が存在しない状況下で、PKS 0735+178のジェット内での光核反応（pγ）相互作用がIceCubeのニュートリノイベントIC-211208Aを説明できるか？
• RQ2 pγ相互作用を可能にし、検出可能なニュートリノフラックスを生成するための外部光子場（放射率とピークエネルギー）は、どの程度必要か？
• RQ3 X線バンドにおける二次電子放射は、モデル内で許容可能な最大ニュートリノフラックスをどのように制約するか？
• RQ4 PKS 0735+178からの予測されたニュートリノフラックスは、観測されたIceCubeの感度とバックグラウンドレベルと整合するか？
• RQ5 本モデルにおけるX線とニュートリノフラックスの相関関係は予測されるか？また、観測データと比較するとどうなるか？

主な発見

• 可視光域にピークを持つ外部光子場（8.3 eV）を組み込むことで、pγ相互作用が可能となり、IceCubeにおけるニュートリノイベントレートは0.12/100日と予測され、観測されたイベントレートと整合的である。
• pγ相互作用に起因する二次電子放射がX線放射を生成し、これが許容可能なニュートリノフラックスを強く制約し、従来の推定値を下回る結果となった。
• 必要なジェット出力（6.3×10⁴⁷ erg/s）は、10⁸.⁸ M☉のブラックホールに対してEddington光度（1.2×10⁴⁶ erg/s）を大きく上回り、極めて極端な物理的状態を示している。
• 中性子パイオン崩壊に起因する高エネルギーγ線放射は、SEDの高エネルギーピークで劣勢であり、X線とニュートリノのフラックス間にγ線とニュートリノのフラックスより強い相関がある可能性を示唆している。
• モデルは、IceCubeの検出感度を下回るが、観測されたイベントレートと多波長制約と整合的な妥当なニュートリノフラックスを予測している。
• 本研究では、二次電子寄与のため、X線フラックスがニュートリノ放射のより信頼できるプロキシとして機能することが確認された。