[論文レビュー] Hard X-ray diffuse emission from the Galactic Center seen by INTEGRAL

A. Neronov, M. Chernyakova+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 18, 2005

Astrophysical Phenomena and Observations被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、インテグラル観測により、銀河中心における硬いX線拡散放射（20–100 keV）が1000秒スケールで変動しないことが特定され、これは中心のブラックホールSgr A*ではなく、約20 pcの拡張領域に起因することを示している。支配的である物理的メカニズムは、超相対論的電子（10–100 TeV）によるシンクロtron放射であり、ブラックホールのエネルギーを非熱的X線に効率的に変換する。これは多波長データと整合し、エネルギー効率が低いことから、熱的またはブレムストラールモデルは除外される。

ABSTRACT

We study the hard X-ray (20-100 keV) variability of the Galactic Center (GC) and of the nearby sources on the time scale of 1000 s. We find that 3 of the 6 hard X-ray sources detected by INTEGRAL within the central 1 degree of the Galaxy are not variable on this time scale: the GC itself (the source IGR J1745.6-2901) as well as the source 1E 1743.1-2843 and the molecular cloud Sgr B2. We put an upper limit of 5 x 10^{-12} erg/(cm^2 sec) (in 20 to 60 keV band) on the variable emission form the supermassive black hole (the source Sgr A*) which powers the activity of the GC(although we can not exclude the possibility of rare stronger flares). The non-variable 20-100 keV emission from the GC turns out to be the high-energy non-thermal tail of the diffuse hard ``8 keV'' component of emission from Sgr A region. Combining the XMM-Newton and INTEGRAL data we find that the size of the extended hard X-ray emission region is about 20 pc. The only physical mechanism of production of diffuse non-thermal hard X-ray flux, which does not contradict the multi-wavelength data on the GC, is the synchrotron emission from electrons of energies 10-100 TeV.

研究の動機と目的

• インテグラルが検出した銀河中心の硬X線放射（20–100 keV）が、中心のブラックホールSgr A*由来であるのか、それとも拡張領域由来であるのかを特定すること。
• 1000秒スケールでの変動を分析することで、「8 keV」成分の起源に関する曖昧さを解消すること。
• Sgr A*の低放射度および束縛された高温プラズマの欠如を踏まえ、非熱的硬X線放射を生成する支配的メカニズムを同定すること。
• 多波長制約と照らし合わせ、シンクロtron、ブレムストラール、逆コンプトンメカニズムの妥当性を検証すること。

提案手法

• 1000秒間隔でのINTEGRAL INTEGRAL/ISGRIデータに対する体系的変動解析により、源の内在的変動と機器バックグラウンドの揺らぎを区別する。
• XMM-Newtonの1–10 keVデータとINTEGRALの20–100 keVデータを比較し、硬X線放射領域の空間的広がりを推定する。
• 非変動成分のスペクトルフィッティングにより、放射メカニズムを特定する。1–10 TeVのHESSデータおよび赤外光子密度モデルからの制約を用いる。
• シンクロtron、ブレムストラール、逆コンプトン過程による電子冷却時定数のモデル化により、エネルギー効率と観測された放射度との整合性を評価する。
• 観測された硬X線およびTeVガンマ線放射度を再現するための電子注入率および磁場配置を評価する。
• EGRETおよびHESSからの観測限界と照らし合わせ、予測されたブレムストラールおよびIC放射度を比較することで、代替メカニズム（例：熱的プラズマ、IC散乱）を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銀河中心の硬X線放射は1000秒スケールで変動するか？ もし変動しない場合、その起源に何を示唆するのか？
• RQ2 Sgr A*周辺の非変動的硬X線放射領域の空間的広がりはどの程度か？
• RQ3 シンクロtron、ブレムストラール、逆コンプトンのうち、エネルギー予算制約に反しない観測された20–100 keVの拡散放射を最もよく説明するのはどれか？
• RQ4 銀河中心の観測されたTeVガンマ線放射度は、硬X線放射を担う同じ電子集団によって一貫して説明可能か？
• RQ5 観測されたX線からTeV帯の放射度を再現するためには、必要な電子エネルギー、磁場強度、および注入幾何学的配置は何か？

主な発見

• 銀河中心の硬X線放射（20–100 keV）は1000秒スケールで変動せず、Sgr A*からの変動放射度の90%上限は5×10⁻¹² erg/(cm²·s)である。
• XMM-NewtonとINTEGRALのスペクトルを6アングストローム程度の拡張アパーチャーで一致させた結果、拡張硬X線放射領域のサイズは約20 pcに制限される。
• 非変動的硬X線放射は、熱的プラズマではなく、拡散的「8 keV」成分の高エネルギー非熱的尾部であると特定された。
• 10–100 TeV電子によるシンクロtron放射が、すべての多波長制約を満たし、エネルギー予算の違反を避ける唯一の妥当なメカニズムである。
• ブレムストラールおよび逆コンプトンメカニズムは、極めて非効率であること、およびそれぞれMeV–GeV放射の過剰生成であることから除外された。
• シンクロtron状況におけるSgr A*が供給すべき全出力は約10³⁶ erg/sであり、観測された赤外線放射度と一致し、最もエネルギー的に経済的なモデルである。