[論文レビュー] Gamma-ray emission and spectral evolution of pair plasmas in AGN jets

Markus Boettcher, H. Mause+1 more|ArXiv.org|Apr 1, 1996

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 14

ひとこと要約

本稿では、AGNジェット内の超相対論的電子・陽電子対プラズマからのガンマ線およびX線放射を自己無撞着にモデル化し、逆コンプトン散乱におけるクラスン＝ニシナ効果を考慮する。外部逆コンプトン（EIC）散乱が、Mrk 421のようなブレーザーにおけるGeV–TeV放射を支配しており、活性状態は注入される対の最大ローレンツ因子の増加によって説明可能である。時間積分スペクトルは、銀河間赤外背景によるTeV吸収を含む、広帯域観測と一致する。

ABSTRACT

The evolution of the particle distribution functions inside a relativistic jet containing an e^-e^+ pair plasma and of the resulting $γ$-ray and X-ray spectra is investigated. The first phase of this evolution is governed by heavy radiative energy losses. For this phase, approximative expressions for the energy-loss rates due to inverse-Compton scattering, using the full Klein-Nishina cross section, are given as one-dimensional integrals for both cooling by inverse-Compton scattering of synchrotron photons (SSC) and of accretion disk photons (EIC). We calculate instantaneous and time-integrated $γ$-ray spectra emitted by such a jet for various sets of parameters, deducing some general implications on the observable broadband radiation. Finally, we present model fits to the broadband spectrum of Mrk 421. We find that the most plausible way to explain both the quiescent and the flaring state of Mrk 421 consists of a model where EIC and SSC dominate the observed spectrum in different frequency bands. In our model the flaring state is primarily related to an increase of the maximum Lorentz factor of the injected pairs.

研究の動機と目的

• AGNジェット内の超相対論的対プラズマのスペクトル進化を、逆コンプトン散乱による放射冷却に焦点を当ててモデル化すること。
• 高エネルギー領域における、シンクロtron自己コンプトン（SSC）および外部逆コンプトン（EIC）過程の両方におけるクラスン＝ニシナ効果を考慮すること。
• 広帯域観測と一致する時間積分ガンマ線およびX線スペクトルを計算すること。
• 相対論的ジェットからの高エネルギー放射の主な放射メカニズム（SSC 対 EIC）を特定すること。
• 注入される対の最大ローレンツ因子の変化によって、Mrk 421の静穏状態および活性状態を説明すること。

提案手法

• 完全なクラスン＝ニシナ断面積を用いて、逆コンプトン散乱によるエネルギー損失率の近似式を導出し、SSCおよびEIC過程の両方について一次元積分として定式化する。
• 運動量拡散、エネルギー損失、および対流を含む、荷電粒子の位相空間密度の等方的成分に関する運動拡散・対流方程式を解く。
• 放射冷却下での電子・陽電子エネルギー分布の進化を自己無撞着に追跡し、各タイムステップでシンクロtron、SSC、および外部放射場を更新する。
• 時間発展する粒子分布関数を統合することで、瞬時および時間積分スペクトルを計算する。
• 時間依存の放射場とクラスン＝ニシナ効果による散乱断面積の抑制を組み込んだ数値コードを用いてスペクトル進化をシミュレートする。
• モデルを用いてMrk 421の広帯域スペクトルにフィットさせ、HEGRAおよびWhipple測定を含む観測データと静穏状態および活性状態を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 AGNジェット内の超相対論的対プラズマにおいて、放射冷却の主なメカニズムはSSCかEICのどちらか？
• RQ2 クラスン＝ニシナ効果は、EICおよびSSC領域における逆コンプトンスペクトルにどのように影響を与えるか？
• RQ3 冷却対プラズマからの時間積分スペクトルは、静穏状態および活性状態の両方において、観測されたMrk 421の広帯域放射を再現できるか？
• RQ4 Mrk 421の活性状態を説明するには、注入パラメータ（例：最大ローレンツ因子、磁場）にどのような変更が必要か？
• RQ5 銀河間赤外背景放射は観測されるTeVスペクトルにどのように影響を与えるか？また、モデルはHEGRAのフラックスレベルを再現できるか？

主な発見

• 外部逆コンプトン（EIC）散乱が、特に活性状態において、Mrk 421のようなブレーザーにおけるGeV–TeV放射を支配しており、SSCにおける強いクラスン＝ニシナ抑制がその要因である。
• SSCが支配する場合、冷却対プラズマからの時間積分スペクトルは、硬X線フラックスを過剰に予測してしまうため、高エネルギー放射の主なメカニズムとしてEICが好ましい。
• 最大ローレンツ因子γ₁ = 8×10³およびγ₂ = 7×10⁵、磁場B = 0.08 Gのモデルが、Mrk 421の活性状態に良好にフィットする。
• シンクロtron放射の低エネルギー端末は、シンクロtron自己吸収ではなく、Razin-Tsytovich効果によって支配され、特に密度の高いジェットで顕著である。
• モデルは、注入高さzᵢ ≈ 10⁻² pcを予測しており、これはTeVガンマ線フォトスフィアの外側に位置しており、観測された透過性と整合する。
• HEGRAフラックスへのモデルフィットは、高・低TeV状態間の5%のデューティーサイクルと一致しており、観測推定値と整合する。