[論文レビュー] Neutrino production in blazar radio cores

O. E. Kalashev, Polina Kivokurtseva+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 6, 2022

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、IceCubeや他の実験で観測された高エネルギーニュートリノ（TeV〜PeV）が、電波の強度が支配的であるミリメートルスケールの電波核（blazarsのコンpactな電波核）で、陽子-光子（pγ）反応によって生成される可能性を提案している。陽子はブラックホール付近で加速され、核内の自己コンプトン（SSC）光子と相互作用し、電波と硬X線放射と相関するニュートリノを生成する。このメカニズムにより、極端な陽子放射度や長時間の相互作用を仮定しなくても、マルチメッセンジャーの関連性が説明可能である。

ABSTRACT

Models of the origin of astrophysical neutrinos with energies from TeVs to PeVs are strongly constrained by multimessenger observations and population studies. Recent results point to statistically significant associations between these neutrinos and active galactic nuclei (AGN) selected by their radio flux observed with very-long-baseline interferometry (VLBI). This suggests that the neutrinos are produced in central parsecs of blazars, AGN with relativistic jets pointing to the observer. However, conventional AGN models tend to explain only the highest-energy part of the neutrino flux observationally associated with blazars. Here we discuss in detail how the neutrinos can be produced in the part of an AGN giving the dominant contribution to the VLBI radio flux, the radio core located close to the jet base. Physical conditions there differ both from the immediate environment of the central black hole and from the plasma blobs moving along the jet. Required neutrino fluxes, considerably smaller than those of photons, can be produced in interactions of relativistic protons, accelerated closer to the black hole, with radiation in the core.

研究の動機と目的

• 高エネルギー宇宙ニュートリノ（TeV〜PeV）とVLBI選択ブラークスターの間の観測された関連性を説明すること。これは、強い電波核放射を示すものである。
• 従来のモデルがニュートリノの全エネルギー範囲とニュートリノと電波フラックスの観測相関を説明できないという課題に対処すること。
• ブロブベースのモデルとは異なり、静的でコンパクトな電波核内でのニュートリノ生成の物理的に妥当なメカニズムを提案すること。
• マルチメッセンジャー集団研究が示すように、ニュートリノ放射度がSSC光子放射度よりも著しく低いことと、両者の不一致を調和させること。
• SSC過程から生じる硬X線光子が、核内でのpγ反応の標的として果たす役割を明確にし、ニュートリノ放射を観測可能な電波およびX線特性と結びつけること。

提案手法

• ジェット基部における静的で斜めの衝撃領域として電波核をモデル化し、相対論的陽子が捕捉され、自己コンプトン（SSC）光子と相互作用する。
• 陽子-光子（pγ）反応断面積と運動学を用いて、陽子がブラックホール付近で加速され、核へと伝播すると仮定して、ニュートリノ生成率を推定する。
• 必要な陽子放射度と相互作用光学厚さを計算し、核内の高い光子密度と長い陽子パス長が、効率的なニュートリノ生成を可能にすることを示す。
• ニュートリノフラックスがSSC光子放射度およびシンクロtronピークエネルギーにどのように依存するかを推定し、観測可能な電波およびX線フラックスと結びつける。
• γγ吸収を核内に組み込み、ニュートリノとガンマ線選択ブラークスターとの相関が弱いことの説明を行う。
• モデルの予測を観測データと比較し、ニュートリノ-電波フラックス相関および集団統計を含む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高エネルギーニュートリノ（TeV〜PeV）は、なぜブラークスター中心パーセク領域で生成可能であり、観測されたVLBI電波核への関連性と整合するのか？
• RQ2 ガンマ線が明るいブラークスターがニュートリノフラックスの主要寄与者でないにもかかわらず、なぜ高エネルギーニュートリノフラックスとVLBI電波フラックスに相関が見られるのか？
• RQ3 電波核内での効率的なpγ反応を可能にする物理的条件は何か？極端な陽子放射度や長時間の相互作用を仮定しなくてもよいのか？
• RQ4 なぜモデルは、核内でのSSC光子放射度に比べて著しく低いニュートリノ放射度を自然に説明できるのか？
• RQ5 ニュートリノ放射と硬X線（SSC）放射との間にはどのような相関が予想されるか？観測的にどのように検証できるか？

主な発見

• 電波の支配的フラックスを出すミリメートルスケールの電波核は、高い光子密度と長い陽子パス長のおかげで、pγ反応に適した環境を提供する。
• 核内でのニュートリノ放射度は、自然にSSC光子放射度よりも著しく低く、マルチメッセンジャー集団研究が示すように、ニュートリノ源とガンマ線源集団の不一致と整合する。
• ニュートリノと電波フラックスの観測相関は、両者を同じ物理的構造（コンパクトな電波核）に結びつけることで説明可能であり、長寿命のブロブを仮定する必要がない。
• 観測されたニュートリノフラックスを達成するための必要な陽子放射度は、核内の高い光子密度と断熱的拡張の欠如により、相互作用確率が高いため、極端な仮定を必要としない。
• モデルはニュートリノと硬X線（SSC）放射度の相関を予測しており、同時多波長モニタリングによって観測的に検証可能である。
• ニュートリノとガンマ線選択ブラークスターとの強い相関がないのは、核内での高エネルギー光子のγγ吸収によって説明可能であり、ガンマ線信号は抑制されるがニュートリノ生成は維持される。