[論文レビュー] Low power BL Lacertae objects and the blazar sequence: Clues on the particle acceleration process

G. Ghisellini, A. Celotti+1 more|ArXiv.org|Feb 20, 2002

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 34被引用数 72

ひとこと要約

本稿は、低出力BL Lacy対象における粒子注入の有限時間スケールを考慮することで、blazar sequenceモデルを拡張している。極端に高エネルギーのSedピークを示す低出力BL Lacsの説明には、粒子注入に有限の時間スケールが必要であることが示された。モデルは二段階の粒子加速を示しており、冷却とバランスをとる予備加熱の後、急激なショック型加速が続く。その結果、高エネルギー領域では $γ_{\text{peak}} \propto U^{-1}$ のスケーリングが得られ、高出力blazarsにおける $U^{-0.6}$ の傾向とは乖離する。

ABSTRACT

The spectral properties of blazars seem to follow a phenomenological sequence according to the source luminosity. By inferring the source physical parameters through (necessarily) modeling the blazar spectra, we have previously proposed that the sequence arises because the particles responsible for most of the emission suffer increasing radiative losses as the luminosity increases. Here we extend those results by considering the widest possible range of blazar spectral properties. We find a new important ingredient for shaping the spectra of the lowest power objects, namely the role of a finite timescale for the injection of relativistic particles. Only high energy particles radiatively cool in such timescale leading to a break in the particle distribution: particles with this break energy are those emitting most of the power, and this gives raise to a link between blazar spectra and total energy density inside the source, which controls the cooling timescale. The emerging picture requires two phases for the particle acceleration: a first pre-heating phase in which particles reach a characteristic energy as the result of balancing heating and radiative cooling, and a more rapid acceleration phase which further accelerate these particles to form a power law distribution. While in agreement with standard shock theory, this scenario also agrees with the idea that the luminosity of blazars is produced through internal shocks, which naturally lead to shocks lasting for a finite time.

研究の動機と目的

• 低出力BL Lacsへのblazar sequenceモデルの拡張を目的とし、観測バイアスのため過去の研究で不足していた点を補う。
• 100 keVを超えるシンクロtronピークを持つTeV検出済みBL Lacsを含む極端に高エネルギーピークを持つ源のスペクトルエネルギー分布（SEDs）を調査すること。
• 高 $\gamma_{\text{peak}}$ における既知の $\gamma_{\text{peak}} \propto U^{-0.6}$ 相関が崩れるかどうかを検証し、新たな物理的メカニズムの兆候を特定すること。
• 低放射度blazarsにおける粒子エネルギー分布およびSEDの形態に与える有限粒子注入時間スケールの役割を調査すること。
• 予備加熱に続く急激な加速という二段階加速メカニズムが、観測されたSEDおよびスペクトル傾向を説明できるかを検証すること。

提案手法

• G98と整合する均質なシンクロtron放射および逆コンプトン放射モデルを用いて、低出力BL LacsのSEDをモデリングする。
• 相対論的粒子の注入に有限の時間スケールを導入し、冷却時間と注入時間が等しくなる $\gamma_{\text{c}}$ で粒子分布に折り返しが生じることを示す。
• 冷却時間が遅い領域では $\gamma_{\text{c}} \propto U^{-1}$ となるように、粒子分布 $N(\gamma) \propto \gamma^{-s}$ を導出する。
• 放射冷却と注入のバランスが取れるエネルギー $\gamma_{\text{peak}}$ を計算し、高エネルギー領域では $\gamma_{\text{peak}} \propto U^{-1}$ となることを示す。
• Mkn 501 や 1ES 1426+428 といった極端な源の観測SEDとモデル予測を比較し、特にフレア状態での結果を検証する。
• 特に主要フレア時に顕著になる平坦なスペクトル（$s < 2$）を観察し、加速効率を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 TeV検出済みBL Lacsのような極端に高エネルギーピークを持つ源では、$\gamma_{\text{peak}} \propto U^{-0.6}$ の相関が崩れるのか？
• RQ2 100 keVを超えるシンクロtronピークを持つ低出力BL Lacsの観測SEDは、標準的な冷却モデルでは説明できないが、どのような物理的メカニズムによって説明できるか？
• RQ3 有限の粒子注入時間スケールは、低放射度blazarsにおける粒子エネルギー分布およびSEDの形態にどのように影響を与えるか？
• RQ4 予備加熱とその後の急激な加速という二段階加速モデルは、全放射度範囲にわたる観測された $\gamma_{\text{peak}}$–$U$ 関係を説明できるか？
• RQ5 Mkn 501 のような主要フレア時には、冷却が強くても粒子分布が平坦（$s < 2$）で $\gamma_{\text{peak}}$ 値が高いのはなぜか？

主な発見

• 高出力blazarsで確認された $\gamma_{\text{peak}} \propto U^{-0.6}$ 相関は、高 $\gamma_{\text{peak}}$ の極端な源では崩れ、代わりに $\gamma_{\text{peak}} \propto U^{-1}$ の関係が観測された。
• 有限の粒子注入時間スケールは、冷却時間と注入時間が等しくなる $\gamma_{\text{c}}$ で粒子分布に折り返しが生じ、$\gamma_{\text{c}} \propto U^{-1}$ となる。
• ピーク放射エネルギー $\gamma_{\text{peak}}$ は、冷却時間が注入時間と等しくなる粒子に対応し、冷却が遅い領域では $\gamma_{\text{peak}} \propto U^{-1}$ となる。
• 低出力BL Lacsでは、加熱と冷却がバランスをとる予備加熱段階（$\gamma_{\text{min}} \propto U^{-0.5}$）に続き、急激な加速によってパワーロー分布が形成される二段階加速プロセスが必要である。
• 主なフレア時、例えばMkn 501（1997年）では粒子分布が平坦（$s < 2$）となり、ショック加速が予備加熱を上回ることを示し、シンクロtron帯域全体にわたり平坦なSEDが生じる。
• 非常に高エネルギーピークを持つ源（$\gamma_{\text{peak}} > 10^5$）は、電波および可視光帯域で本質的に弱く、低出力電波銀河に類似している可能性があり、TeVおよびハードX線帯域でのみ検出可能である可能性がある。