[論文レビュー] High-energy neutrinos and gamma rays from winds and tori in active galactic nuclei

Susumu Inoue, M. Cerruti+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 2022

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 14

ひとこと要約

本稿では、遮蔽されたセイフェルト銀河NGC 1068からの高エネルギーニュートリノおよびガンマ線が、AGN風および風-トーラス相互作用における拡산的衝撃加速（DSA）によって発生すると提案する。低速度風で加速された陽子が引き起こす$p\gamma$-誘発連鎖反応が、IceCubeのTeVニュートリノとFermi-LATの1GeV未満のガンマ線を説明する。一方、風-トーラス衝撃波における$pp$反応が高エネルギーガンマ線を担う。

ABSTRACT

Powerful winds with wide opening angles, likely driven by accretion disks around black holes (BHs), are observed in the majority of active galactic nuclei (AGN) and can play a crucial role in AGN and galaxy evolution. If protons are accelerated in the wind near the BH via diffusive shock acceleration, $pp$ and $pγ$ processes generate neutrinos as well as pair cascade emission from the gamma-ray to radio bands. The TeV neutrinos detected by IceCube from the obscured Seyfert galaxy NGC 1068 may arise from collisionless shocks in a failed, line-driven wind that is physically well motivated. Although the cascade emission is $γγ$-attenuated above a few MeV, it can still contribute significantly to the sub-GeV gamma rays and the sub-millimeter emission observed from NGC 1068. At higher energies, gamma rays can occur via $pp$ processes from a shock where an outgoing wind impacts the obscuring torus, along with some observable GHz-band emission. Tests and implications of this model are discussed. Neutrinos and gamma rays may offer unique probes of AGN wind launching sites, particularly for objects obscured in other forms of radiation.

研究の動機と目的

• AGN風における陽子加速を通じて、遮蔽されたセイフェルト銀河NGC 1068から観測された高エネルギーニュートリノおよびガンマ線を説明すること。
• 1つの物理的に整合性のあるモデルでTeVニュートリノとGeVガンマ線の両方を説明する課題に対処すること。
• 失敗した線駆動風および風-トーラス相互作用が、粒子加速および非熱的放射の場として果たす役割を調査すること。
• $p\gamma$-連鎖反応および$pp$-過程による放射が、遮蔽されたAGNにおける多波長放射の源として実現可能かどうかを評価すること。

提案手法

• 局所的脱出速度未満の衝撃速度を持つ広開口角のAGN風における拡散的衝撃加速（DSA）をモデル化。粒子の閉じ込めを促進する。
• $p\gamma$相互作用断面積および$\gamma\gamma$対生成を伴う$\gamma\gamma$-減衰を含めた$\gamma\gamma$-対生成に起因する連鎖放射の計算。
• 風が遮蔽トーラスと衝突する場所における$pp$反応によるガンマ線生成を評価。
• 電子-陽電子対連鎖反応が電波帯からGeV帯に及ぼす寄与を評価し、$\gamma\gamma$-透過率を考慮。
• モデル予測をIceCubeニュートリノデータおよびNGC 1068のFermi-LATガンマ線観測と比較。
• 解析的推定およびスケーリング則を用いて、pc未満の風領域およびkpcスケールのトーラス相互作用からの放射を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $p\gamma$-誘発連鎖放射が、低速度AGN風で加速された陽子から生じ、NGC 1068で観測されたTeVニュートリノを説明できるか。
• RQ2 $p\gamma$-連鎖放射は、数MeV以上のエネルギーで$\gamma\gamma$-減衰が発生する状況でも、Fermi-LATが観測した1GeV未満のガンマ線放射にどの程度寄与するか。
• RQ3 風-トーラス衝撃波における$pp$反応が、NGC 1068の高エネルギーガンマ線を説明できるか。
• RQ4 $\gamma\gamma$-減衰は連鎖放射にどのような影響を及ぼし、GeV帯で観測可能な放射を生成できるか。
• RQ5 観測された多波長放射は、標準的なジェットやコロナ放射モデルではなく、失敗した線駆動風モデルと整合性を持つか。

主な発見

• NGC 1068で観測されたTeVニュートリノは、局所的脱出速度未満の衝撃速度を持つ低速度風で加速された陽子からの$p\gamma$-連鎖放射によって一貫して説明可能である。
• $\gamma\gamma$-減衰が数MeV以上で発生する状況でも、$p\gamma$-連鎖放射はFermi-LATが観測した1GeV未満のガンマ線放射に顕著な寄与を示す。
• NGC 1068の高エネルギーガンマ線は、風が遮蔽トーラスに衝突する衝撃波における$pp$反応によって発生している可能性が強い。
• このモデルは、同じ$pp$反応衝撃波から電波帯でも観測可能な放射を予測しており、このシナリオの多波長的検証を可能にする。
• 風が遮蔽されており、効率的に脱出しない可能性があるため、NGC 1068に強いX線やUV風の痕跡が観測されないこととモデルは整合性を持つ。
• この枠組みは、電波が弱く遮蔽されたAGNにおける高エネルギー放射の、コロナやジェットベースのモデルの代替として実現可能である。