[論文レビュー] High-Energy Neutrino Production through Photopion Processes in Blazars

C. D. Dermer, A. M. Atoyan|arXiv (Cornell University)|Jul 11, 2001

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、3C 279 などのフラットスペクトル電波クェザール（FSRQ）における高エネルギーニュートリノが、ジェット内の相対論的陽子と外部の紫外線光子との間の光核反応によって主に生成されることを提案している。観測されたスペクトルエネルギー分布と変動 timescale を用いて、放射および磁場エネルギー密度をモデル化し、外部紫外線光子が光核反応の主要な標的場を占めることを示している。主な結果として、IceCube などの km² 級ニュートリノ望遠鏡で観測可能な、1年間に 0.1〜1 個のニュートリノが予測される。これは、陽子が 10¹⁶ eV を超えて超高エネルギーに加速される必要がない場合でも成立する。

ABSTRACT

The measured spectral energy distribution and variability time scale are used to determine the radiation and magnetic-field energy densities in the relativistic plasma that forms the gamma-ray emitting jet in the blazar 3C 279. Assuming that protons are accelerated as efficiently as electrons to a maximum energy determined by the size and magnetic field of the emitting region, we calculate the emissivity of neutrinos produced by protons that interact with the external radiation field intercepted by the jet. The external radiation field provides the most important target photons for photomeson production of high-energy neutrinos in flat spectrum radio quasars (FSRQs). Because of photomeson interactions with this field, km^2 neutrino telescopes are predicted to detect > 0.1-1 neutrinos per year from blazars such as 3C 279. BL Lac objects are weaker neutrino sources if, as widely thought, their gamma-ray emission is due to Compton-scattered synchrotron (SSC) radiation.

研究の動機と目的

• 観測されたスペクトルエネルギー分布と変動 timescale を用いて、ブレーザー 3C 279 の相対論的ジェット内の放射および磁場エネルギー密度を特定すること。
• 内部シンクロtron光子と比較して、外部紫外線光子が FSRQ における高エネルギーニュートリノの光核反応の主要な標的場を占める役割を評価すること。
• ビブロサイズと磁場に制限された効率的な陽子加速を仮定して、陽子相互作用によるニュートリノ発生効率と予想されるフラックスを計算すること。
• IceCube などの km² スケールのニュートリノ望遠鏡によるこれらのニュートリノの検出可能性を、増光時および静穏時において評価すること。
• 外部放射場が弱い BL Lac オブジェクトと比較して、FSRQ がニュートリノ生成において果たす潜在的役割を比較すること。

提案手法

• 相対運動系におけるシンクロtron光子エネルギー密度は、観測されたシンクロtron放射出力、ビブロ半径、ドーリット因子を用いて、$ u^{ ext{'} }_{s} \cong L_{s}/(2\pi r_{b}^{2}c\delta^{4}) $ の関係式から計算される。
• 外部光子エネルギー密度は、外部コンプトン放射出力とシンクロtron放射出力の比から導出され、$ u^{ ext{'} }_{ext} \cong aL_{s}/(2\pi r_{b}^{2}c\delta^{4}) $ と表され、ここで $ a = L_{EC}/L_{SSC} $ である。
• 磁場強度は、等分配仮定と関係式 $ B \simeq 2(1+z)\sqrt{1+a}/(c\delta^{3}t_{\text{var}}) \cdot (L_{s}/c)^{1/2} \cdot (L_{s}/L_{C})^{1/2} $ を用いて推定され、観測された変動と放射出力が結びつけられる。
• 陽子エネルギー分布は、指数 $ \alpha_{\text{p}} = 2 $ のパワーローインジェクションを仮定し、ボーハー拡산限界における光核反応によるエネルギー損失と逃げ出しを計算する。
• ニュートリノフラックスは、外部および内部放射場を標的にして、陽子エネルギー分布にわたる光核反応発生効率を統合することで計算される。
• Gaisser 他（1995）の検出効率を用いて、1 km² ニュートリノ望遠鏡の検出率を、稼働率と静穏状態の寄与を考慮して推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FSRQ における高エネルギーニュートリノの光核反応の主な標的光子場は何か：内部シンクロtron光子か、広帯域領域からの外部紫外線光子か？
• RQ2 3C 279 の観測スペクトルエネルギー分布と変動 timescale は、そのジェット内での放射および磁場エネルギー密度にどのような制約を課えるか？
• RQ3 3C 279 に類似した FSRQ からの予想されるニュートリノフラックスは何か？また、IceCube などの km² スケールのニュートリノ望遠鏡で検出可能か？
• RQ4 外部紫外線光子場を含めると、内部シンクロtron場と比較して、効率的な光核反応のための必要な陽子エネルギーはどのように変化するか？
• RQ5 3C 279 型のブレーザーからの年間予想ニュートリノ検出率は何か？また、ジェットのドーリット因子と稼働率にどのように依存するか？

主な発見

• 3C 279 などの FSRQ における外部紫外線光子場が、光核反応の主要な標的になり、内部シンクロtron光子場と比較して、効率的なニュートリノ生成に必要な陽子エネルギーを低減する。
• 1 km² ニュートリノ望遠鏡では、ドーリット因子 δ = 7, 10, 15 の場合、それぞれ 2 週間の増光時で 0.19, 0.12, 0.05 個のニュートリノが予測される。
• 外部紫外線場を無視すると、予測されるニュートリノフラックスは桁落ちするため、検出可能なニュートリノ放射を可能にする上で、外部紫外線場の重要性が顕著に示される。
• モデルは、km² スケールのニュートリノ望遠鏡が、陽子加速が約 10¹⁶ eV に制限されても、3C 279 に類似した FSRQ から 1 年間に 0.1〜1 個のニュートリノを検出可能であると予測している。これは、超高エネルギー陽子の注入を必要としない。
• 外部放射場が弱いため、BL Lac オブジェクトは外部放射場が強い FSRQ と比較して、はるかに弱いニュートリノ源であると予測される。これは、効率的な光核反応に不可欠な外部放射場が欠如しているためである。
• 静穏状態のニュートリノフラックスは、増光状態の性質から信頼性高く推定可能である。外部放射場はジェットの全ローレンツ因子に依存しないため、長期的な検出予測が安定する。