[論文レビュー] High-energy Neutrinos from Stellar Explosions in Active Galactic Nuclei Accretion Disks

Jin-Ping Zhu, Kai Wang+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 13, 2021

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 86被引用数 26

ひとこと要約

本稿では、活発な銀河中心核（AGN）の降着円盤内で星の爆発残渣が衝撃加熱を受けて高密度の円盤物質と相互作用することで、高エネルギーニュートリノが効率的に生成されることを提案している。衝撃力学および粒子加速モデルを用いて、これらの出来事象が観測された広がりのある高エネルギーニュートリノ背景の最大約10％を占め得ることを示しており、AGNの星の爆発はマルチメッセンジャ源として有望である。

ABSTRACT

Some catastrophic stellar explosions, such as supernovae (SNe), compact binary coalescences, and micro-tidal disruption events, are believed to be embedded in the accretion disks of active galactic nuclei (AGN). We show high-energy neutrinos can be produced efficiently through $pp$-interactions between shock-accelerated cosmic rays and AGN disk materials shortly after the explosion ejecta shock breaks out of the disk. AGN stellar explosions are ideal targets for joint neutrino and electromagnetic (EM) multimessenger observations. Future EM follow-up observations of neutrino bursts can help us search for yet-discovered AGN stellar explosions. We suggest that AGN stellar explosions could potentially be important astrophysical neutrino sources. The contribution from AGN stellar explosions to the observed diffuse neutrino background depends on the uncertain local event rate densities of these events in AGN disks. By considering thermonuclear SNe, core-collaspe SNe, gamma-ray burst associated SNe, kilonovae, and choked GRBs in AGN disks with known theoretical local event rate densities, we show that these events may contribute to $\lesssim10\%$ of the observed diffuse neutrino background.

研究の動機と目的

• AGNの星の爆発が高エネルギーニュートリノ源として有効である可能性を調査すること。
• 特に衝撃加速された宇宙線を介したAGN円盤環境におけるニュートリノ生成メカニズムをモデル化すること。
• さまざまなAGNの星の爆発タイプが観測された広がりのある高エネルギーニュートリノ背景に与える寄与を推定すること。
• これらの出来事象のニュートリノおよび電磁波の共同観測、すなわちマルチメッセンジャ観測の可能性を評価すること。

提案手法

• Sirko & Goodman (2003)の円盤構造を用いて、AGN降着円盤の半径方向密度およびスケール高さをモデル化し、ガウス型の垂直密度プロファイルを採用する。
• 速度則 vs(h) ≈ (E₀ / (Mₑⱼ + M(h)))¹ᐟ² × (ρd(h)/ρ₀)⁻ᵘ を用いて衝撃の力学をシミュレートし、円盤中間面より上での衝撃の伝播を追跡する（μ ≈ 0.19）。
• 衝撃の運動エネルギー出力は Lₛ = 2πρd vₛ³ h² として計算し、ブレークアウトまでの時間を t(h) = ∫₀ʰ dh / vs(h) で求める。
• フェルミ加速を適用し、エネルギースペクトルを dnp/dϵₚ ∝ ϵₚ⁻ᑫ（q ≈ 2）とし、pp非弾性反応と断熱的冷却の競合によって最大陽子エネルギーを推定する。
• プランクの宇宙論的パラメータを用いて、広がりのあるフラックス積分 E²Φν = (c / 4πH₀) ∫₀ᶻᵐᵃˣ R₀f(z)ϵ²νφν(ϵν) / (1 + z)²√[Ωₘ(1 + z)³ + Ωₗ] dz を用いてニュートリノフラクチュエーションを推定する。
• 1回の爆発あたり1×10⁶件のイベントをシミュレートし、さまざまな赤方偏移進化モデル下での検出率および広がりのあるフラックスへの寄与を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 衝撃加速された宇宙線と円盤物質との相互作用によって、AGN降着円盤内に高エネルギーニュートリノが効率的に生成されるか？
• RQ2 SNe Ia、CCSNe、キロノーバ、GRBsなどの異なるタイプのAGNの星の爆発に対して、予想されるニュートリノフラクチュエーションと持続時間は何か？
• RQ3 AGNの星の爆発から予測されるニュートリノフラックスは、観測された広がりのある高エネルギーニュートリノ背景と比べてどうなるか？
• RQ4 円盤風、BLR雲、または円盤内の低密度キャビティは、ニュートリノ放射の延長およびフラックスの増強にどのような役割を果たすか？

主な発見

• 衝撃加速された宇宙線と高密度のAGN円盤物質とのpp反応により、高エネルギーニュートリノが効率的に生成される。最大陽子エネルギーは、pp制限ケースで約94 TeV、断熱的制限ケースで約1.7×10⁵ TeVに達する。
• 最大ニュートリノエネルギーは、陽子加速とpp非弾性反応による冷却、または断熱的損失の競合によって制限され、後者はより高い衝撃高さで高いエネルギー限界を示す。
• r = 10³ rS の10⁷ M⊙ のSMBHでは最大ニュートリノエネルギーが約9.4×10³ TeVに達し、r = 10⁴ rS では約1.7×10³ TeVに達する。これは円盤密度および衝撃速度に依存する。
• AGNの星の爆発による広がりのあるニュートリノフラクチュエーションは、観測された天体的広がりニュートリノ背景の≤10％を占めることが推定され、調査されたタイプの中でSNe IaおよびLGRBsが主な寄与者である。
• 検出率のシミュレーションでは、IceCubeに類似した検出器において、SNe Ia、LGRBs、CCSNeがそれぞれ年間最大で約0.2、約0.2、約0.03件の検出を生じ得ると推定される。
• 円盤風、BLR雲、または低密度キャビティの存在は、ニュートリノフラクチュエーションを増幅させ、放射持続時間を延長し得る。その結果、現在の推定値を上回る広がりのある寄与が得られる可能性がある。