[論文レビュー] NuSTAR discovery of the hard X-ray emission and a wide-band X-ray spectrum from the Pictor A western hot spot

Yuji Sunada, A. Morimoto+6 more|arXiv (Cornell University)|Mar 3, 2022

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 51被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、NuSTAR、Chandra、XMM-Newtonを用いて、活発銀河核Pictor Aのジェット終端ホットスポットからの最初の10 keVを超えるハードX線検出を報告する。広帯域X線スペクトル（0.2–20 keV）は、光子指数Γ = 2.07 ± 0.03の単一のパワーローでよく記述されており、20 keVまでにスペクトルカットオフが見られず、最大エネルギー≥40 TeVの加速された電子を示唆しており、拡산的衝撃加速度理論と整合的である。

ABSTRACT

Utilizing extit{Chandra}, extit{XMM-Newton} and extit{NuSTAR}, a wide-band X-ray spectrum through 0.2 to 20 keV is reported from the western hot spot of Pictor A. In particular, the X-ray emission is significantly detected in the 3 to 20 keV band at 30 sigma by extit{NuSTAR}. This is the first detection of hard X-rays with energies above 10 keV from a jet termination hot spot of active galactic nuclei. The hard X-ray spectrum is well described with a power-law model with a photon index of $\mathit{\Gamma}=1.8\pm0.2$, and the flux is obtained to be $(4.5\pm0.4) imes10^{-13}$ erg s$^{-1}$ cm$^{-2}$ in the 3 to 20 keV band. The obtained spectrum is smoothly connected with those soft X-ray spectra observed by extit{Chandra} and extit{XMM-Newton}. The wide-band spectrum shows a single power-law spectrum with a photon index of $\mathit{\Gamma}=2.07\pm0.03$, excluding any cut-off/break features. Assuming the X-rays as synchrotron radiation of the electrons, the energy index of the electrons is estimated as $p=2\mathit{\Gamma}-1=3.14\pm0.06$ from the wide-band spectrum. Given that the X-ray synchrotron emitting electrons quickly lose their initial energies via synchrotron radiation, the energy index of electrons at acceleration sites is estimated as $p_\mathrm{acc}=p-1=2.14\pm0.06$. This is consistent with the prediction of the diffusive shock acceleration. Since the spectrum has no cut-off feature up to 20 keV, the maximum electron energy is estimated to be no less than 40 TeV.

研究の動機と目的

• Chandra、XMM-Newton、NuSTARのデータを統合し、Pictor Aの西ホットスポットにおける広エネルギー範囲（0.2–20 keV）でのX線スペクトル形状を調査すること。
• X線スペクトルに高エネルギーのカットオフまたは折り返し（break）が存在するかを特定し、ホットスポット内の電子の最大エネルギーを示唆すること。
• 観測されたX線スペクトルのシンクロtron放射特性を分析することで、電子エネルギー分布および加速メカニズムを推定すること。
• 20 keVまでにスペクトルカットオフが観測されないという事実の物理的意味、特に電子加速および放射冷却の観点から評価すること。
• 粒子加速がホットスポットで果たす役割と、拡散的衝撃加速度理論などの理論的モデルとの整合性を評価すること。

提案手法

• Chandra（0.3–10 keV）、XMM-Newton（0.2–10 keV）、NuSTAR（3–20 keV）のX線データを統合し、広帯域をカバーするスペクトル分析を実施した。
• 水素列密度を3.6×10²⁰ cm⁻²として固定し、吸収されたパワーロー モデルでスペクトルをフィットした。
• シンクロtron放射の公式を用い、観測された光子指数（Γ）と電子エネルギー指数（p = 2Γ − 1）との関係を、放射冷却効果を考慮して導出した。
• シンクロtron冷却 timescale 公式 τsyn ≈ 15 × (Eph/2 keV)⁻¹·⁵ × (B/300 µG)⁻¹·⁵ 年を用い、電子冷却 timescale を動的 timescale と比較した。
• Ecut > 20 keV を下限として、最大電子エネルギーを Ee,max ≳ 40 × (Ecut/20 keV)⁰·⁵ × (B/300 µG)⁻¹ TeV として推定した。
• 得られた加速電子エネルギー指数（pacc = 2.14 ± 0.06）が、強衝撃条件下における拡散的衝撃加速度理論の予測（pacc ≈ 2–2.4）と整合的であるかを評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Pictor Aの西ホットスポットのX線スペクトルは、0.2–20 keV帯域で高エネルギーのカットオフまたは折り返しを示すか？
• RQ2 ホットスポット内の固有の電子エネルギー分布は何か？ また、観測されたX線パワーロー指数とどのように関係するか？
• RQ3 20 keVまでにスペクトルカットオフが観測されないという事実を踏まえて、ホットスポット内の最大電子エネルギーは何か？
• RQ4 観測された電子エネルギー指数は、拡散的衝撃加速度理論の予測と整合的か？
• RQ5 高エネルギー電子の放射冷却時間は、ホットスポット内の動的時間スケールと比べてどの程度か？

主な発見

• 0.2–20 keVの広帯域X線スペクトルは、光子指数Γ = 2.07 ± 0.03の単一のパワーローでよく記述されており、20 keVまでにスペクトルカットオフまたは折り返しの兆候は認められない。
• NuSTARによる3–20 keV帯域でのハードX線放射は30σの有意水準で検出され、AGNのジェット終端ホットスポットからの10 keVを超えるX線検出としては初である。
• 3–20 keV帯域の非吸収フラックスは (4.5 ± 0.4) × 10⁻¹³ erg s⁻¹ cm⁻² であり、ソフトX線スペクトルの外挿と整合的である。
• 観測された光子指数から導かれる電子エネルギー指数はp = 3.14 ± 0.06であり、シンクロtron冷却を補正した加速電子指数はpacc = 2.14 ± 0.06となった。
• 得られたpacc値は、強衝撃条件下における拡散的衝撃加速度理論の予測（pacc ≈ 2）と整合的である。
• 20 keVまでにスペクトルカットオフが観測されないという事実は、磁場強度が300 µGであると仮定した場合、最大電子エネルギーがEe,max ≥ 40 TeVである下限を示唆する。