[論文レビュー] High-Energy Neutrino and Gamma-Ray Emission from Tidal Disruption Events and Implications for AT2019dsg

Kohta Murase, Shigeo S. Kimura+3 more|arXiv (Cornell University)|May 18, 2020

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、超大質量ブラックホール周囲の高温コロナや放射効率が低い降着流（RIAF）、および準相対性速度の風や潮汐流の相互作用において、高エネルギーニュートリノおよびガンマ線放射をもたらすジェットを伴わないメカニズムを提案する。コロナおよび隠れた風モデルは、IceCube-191001A ニュートリノイベントを説明可能であるが、ジェットモデルは多メッセンジャー観測データを説明するには不適切であることが判明した。

ABSTRACT

Tidal disruption events (TDE) have been considered as cosmic-ray and neutrino sources for a decade. We suggest two classes of new scenarios for high-energy multi-messenger emission from TDEs that do not have to harbor powerful jets. First, we investigate high-energy neutrino and gamma-ray production in the core region of a supermassive black hole. In particular, we show that about 1-100 TeV neutrinos and MeV gamma-rays can efficiently be produced in hot coronae around an accretion disk. We also study the consequences of particle acceleration in radiatively inefficient accretion flows (RIAFs). Second, we consider possible cosmic-ray acceleration by sub-relativistic disk-driven winds or interactions between tidal streams, and show that subsequent hadronuclear and photohadronic interactions inside the TDE debris lead to GeV-PeV neutrinos and sub-GeV cascade gamma-rays. We demonstrate that these models should be accompanied by soft gamma-rays or hard X-rays as well as optical/UV emission, which can be used for future observational tests. Although this work aims to present models of non-jetted high-energy emission, we discuss the implications of the TDE AT2019dsg that might coincide with the high-energy neutrino IceCube-191001A, by considering the corona, RIAF, hidden sub-relativistic wind, and hidden jet models. It is not yet possible to be conclusive about their physical association and the expected number of neutrinos is typically much less than unity. We find that the most optimistic cases of the corona and hidden wind models could be consistent with the observation of IceCube-191001A, whereas jet models are unlikely to explain the multi-messenger observations.

研究の動機と目的

• 強力なジェットを必要としないTDEからの高エネルギー多メッセンジャー放射を調査すること。
• 超大質量ブラックホール周囲の高温コロナおよびRIAFにおける粒子加速およびその後のバリオン的相互作用を調査すること。
• 準相対性速度のディスク駆動風および潮汐流の相互作用における宇宙線加速が高エネルギーニュートリノの源となるかを検討すること。
• ソフトガンマ線、ハードX線、光学/紫外線放射を含む多メッセンジャー署名と照らし合わせて、モデルの予測を検証すること。
• 非ジェット放射モデルを用いて、AT2019dsg が IceCube-191001A ニュートリノイベントと物理的に関連しているかどうかを評価すること。

提案手法

• バリオン核反応および光子バリオン反応を介して、降着ディスクを囲む高温コロナにおける高エネルギーニュートリノおよびガンマ線生成をモデル化すること。
• 放射効率が低い降着流（RIAF）における粒子加速およびそれによる高エネルギー放射を分析すること。
• 準相対性速度のディスク駆動風および潮汐流の相互作用における宇宙線加速をシミュレートし、その後に発生するバリオン的相互作用を検討すること。
• これらの過程からのニュートリノおよびガンマ線スペクトルを計算し、コロナからのMeVガンマ線およびバリオン的相互作用によるGeV未満のキャスケードガンマ線を含めること。
• AT2019dsg からの観測データと照らし合わせて、予測された多メッセンジャー署名（ソフトガンマ線、ハードX線、光学/紫外線放射）を比較すること。
• コロナ、RIAF、隠れた風、隠れたジェットモデルからの期待されるニュートリノフラックスを評価し、IceCube-191001A との整合性を検証すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強力な相対論的ジェットを必要としないTDEにおいて、高エネルギーニュートリノおよびガンマ線が生成可能か？
• RQ2 ジェットを伴わないTDE放射モデルから予想される多メッセンジャー署名（ソフトガンマ線、ハードX線、光学/紫外線放射）は何か？
• RQ3 コロナおよびRIAFモデルからの予測ニュートリノフラックスは、観測されたIceCube-191001A イベントとどのように比較されるか？
• RQ4 準相対性速度の風または潮汐流の相互作用が、バリオン的相互作用によってGeV〜PeVニュートリノを生成可能か？
• RQ5 TDEであるAT2019dsg は、IceCube-191001A ニュートリノイベントと物理的に関連しているか？また、どの非ジェットモデルがデータを最もよく説明するか？

主な発見

• TDEにおける降着ディスクを囲む高温コロナでは、1–100 TeVの範囲の高エネルギーニュートリノおよびMeVガンマ線が効率的に生成可能である。
• 放射効率が低い降着流（RIAF）も、粒子加速およびバリオン的相互作用を通じて高エネルギーニュートリノおよびガンマ線の源として機能しうる。
• 準相対性速度のディスク駆動風および潮汐流の相互作用は、バリオン核反応および光子バリオン反応を通じてGeV〜PeVニュートリノおよびGeV未満のキャスケードガンマ線を生成可能である。
• コロナおよび隠れた風モデルは、ニュートリノフラックスの予測が最も楽観的であり、IceCube-191001A 観測と整合的であるが、予想されるニュートリノ数は通常1未塔である。
• ジェットモデルは、スペクトル的および時間的署名の不一致のため、多メッセンジャー観測データを説明するには不適切である。
• これらのモデルは、併存するソフトガンマ線またはハードX線、および光学/紫外線放射を予測し、将来的な観測に向けた検証可能な多メッセンジャー署名を提供する。