[論文レビュー] Hard X-ray emission from blazars associated with high-energy neutrinos

A. V. Plavin, R. Burenin+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 1, 2023

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 78被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、アイスカイブが観測した高エネルギーニュートリノと、ブレーザーからの硬いX線放射（≥10 keV）の間で強い観測的相関が確認され、ジェット領域におけるX線がプロトン-光子反応の標的光子として機能し、ニュートリノを生成することを示唆している。結果から、ニュートリノ生成は、コンパクトで相対論的ドーナツ状にビームされたジェットで発生しており、硬いX線はシンクロtron自己コンプトン過程によってニュートリノ生成の場所を示していることがわかる。

ABSTRACT

Bright blazars were found to be prominent neutrino sources, and a number of IceCube events were associated with them. Evaluating high-energy photon emission of such blazars is crucial for better understanding of the processes and regions where neutrinos are produced. Here, we focus on hard X-ray emission observed by the SRG/ART-XC telescope, by the Swift/BAT imager, and by the INTEGRAL/IBIS telescope. Their energy range ~10 keV is well-suited for probing photons that potentially participate in neutrino production by interacting with ultrarelativistic protons. We find that neutrino-associated blazars tend to demonstrate remarkably strong X-ray emission compared to other VLBI blazars in the sky. Both neutrinos and hard X-rays are found to come from blazars at cosmological distances z ~ 1, and are boosted by relativistic beaming that makes it possible to detect them on Earth. Our results suggest that neutrinos are produced within compact blazar jets, with target X-ray photons emitted from accelerated jet regions.

研究の動機と目的

• ブレーザーからの硬いX線放射とアイスカイブが検出した高エネルギーニュートリノの関係を調査すること。
• 硬いX線（≥10 keV）がニュートリノ生成、特にpγ反応の標的光子として物理的に関連しているかどうかを特定すること。
• ドーナツ状にビームされた相対論的ジェットが、ニュートリノ生成の場所を占めているかどうかを、X線および電波データを tracer として評価すること。
• X線放射がニュートリノ生成プロセスの直接的な電磁的プロキシとして機能できるかどうかを評価すること。
• X線の放射度とニュートリノの到着方向・エネルギーを比較することで、ニュートリノ生成のモデルを制限すること。

提案手法

• 硬いX線バンド（≥10 keV）をカバーするSRG/ART-XC、Swift/BAT、INTEGRAL/IBISの全天X線カタログに加え、よりソフトなX線についてはROSATのデータを用いた。
• これらのX線源を、アイスカイブの高エネルギーニュートリノイベント（E > 200 TeV）および電波的・コンパクトな核を持つVLBI選別ブレーザーと照合した。
• ニュートリノの誤差領域とX線放射ブレーザーとの空間的一致の有意性を評価する統計的検定を実施し、偶然の一致確率がp = 0.5%であることを計算した。
• 相対論的運動論（E′_p ≈ 20E′_ν および E′_p E′_γ ≈ m²_Δ）を用いて、TeVスケールのニュートリノを生成するのに必要な標的光子エネルギーを推定した。
• 相対論的ビームが顕著に現れる宇宙論的赤方偏移z ~ 1のブレーザーに焦点を当てた。
• X線放射度とニュートリノ生成率の相関を評価し、標的光子がジェット内から生成されるモデル（外部領域、例えば降着円盤からのものではない）を支持する結果を得た。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アイスカイブが検出した高エネルギーニュートリノイベントと、ブレーザーからの硬いX線放射との間に有意な空間的相関があるか？
• RQ2 ニュートリノ関連のブレーザーは、他のVLBI選別ブレーザーと比較してより強い硬いX線放射を示すか？
• RQ3 硬いX線が、ニュートリノ生成におけるpγ反応の標的光子集団を物理的にトレーサーとして機能できるか？
• RQ4 観測されたX線放射は、ドーナツ状にビームされた相対論的ジェットからのものと整合的であり、ニュートリノのジェット起源を支持するか？
• RQ5 観測されたX線放射度とニュートリノエネルギーは、シンクロtron自己コンプトン（SSC）モデルが標的光子の源であることを支持するか？

主な発見

• ニュートリノ関連のブレーザーは、他のVLBI選別ブレーザーと比較して顕著に強い硬いX線放射（≥10 keV）を示し、偶然の一致確率はわずか0.5%であった。
• 硬いX線放射とアイスカイブのニュートリノイベントとの間に強い相関が確認されたが、よりソフトなX線（≤1 keV）には同様の相関は認められなかった。
• 観測されたX線放射度は、宇宙論的距離（z ~ 1）に位置するコンパクトで相対論的ジェットからのドーナツ状にビームされた放射と整合的である。
• 結果は、pγ反応の標的光子がジェット内部で生成されており、おそらくシンクロtron自己コンプトン（SSC）過程によって生成されているというシナリオを支持している。
• パーセクスケールの電波放射が強い（VLBIで選別された）ブレーザーは、高エネルギーニュートリノと関連しやすいことが示され、相対論的ビームがX線とニュートリノの両方の検出可能性を高めていることを示している。
• これらの発見は、硬いX線のモニタリングが、高エネルギーニュートリノ源を予測するためのツールとして機能できる可能性を示唆している。