[論文レビュー] Particle acceleration and synchrotron emission in blazar jets

J. G. Kirk, Frank Rieger+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 27, 1998

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 60

ひとこと要約

本論文は、相対論的ブラザールジェットにおける衝撃波前での電子加速をモデル化し、均一な磁場を有するダウンストリーム領域からのシンクロトロン放射を計算している。PKS 2155–304 や Mkn 421 で観測された、明るさ上昇時のスペクトル硬化と下降時のスペクトル軟化は、冷却時定数に比べて加速時定数が短い場合に生じることを示しており、特定の条件下で均一なシンクロトロンモデルが妥当であることを裏付けている。

ABSTRACT

We model the acceleration of electrons at a shock front in a relativistic blazar jet and compute the radiation they emit in a post-shock region which contains a homogeneous magnetic field. The full space, time and momentum dependence of the electron distribution is used in this calculation. It is shown that the "homogeneous" synchrotron model is recovered, provided the downstream speed of the plasma away from the shock front is nonrelativistic, and provided that the light travel times across the face of the shock front is unimportant. By varying the rate at which particles are picked up by the acceleration process, we calculate the time-dependence of the spectra. Since the magnetic field strength is assumed constant within the emission region, each frequency band can be identified with electrons of a particular energy. We find that for a band in which the electrons are accelerated rapidly compared to the rate at which they cool, the spectra typically harden during phases of rising flux, and soften during phases of falling flux, as has been observed in the objects PKS 2155-304 and Mkn 421. However, in a frequency band in which the timescales are comparable, the reverse behaviour is to be expected. We discuss the extent to which observations of both the stationary spectrum and the spectral variability of the synchrotron component of blazar emission can be used to constrain the model.

研究の動機と目的

• 均一な磁場モデルが、ブレーザーにおける観測されたシンクロトロンスペクトルおよび変動を再現できるかどうかを調査すること。
• 特に光行時遅れ効果とプラズマの流れの速度に関して、均一モデルが有効となる条件を特定すること。
• 時間に依存する粒子加速とシンクロトロン冷却が、観測されるスペクトル変動にどのように寄与するかを明らかにすること。
• 粒子の脱出と磁場の不均一性が、電子エネルギー分布およびそれに伴う放射に与える影響を評価すること。
• 固有の変動パターンを観測可能なスペクトル進化と結びつけること、特に Mkn 501 や PKS 2155–304 のような源において。

提案手法

• 衝撃波前からダウンストリームの電子分布関数を位相空間（時間、位置、エネルギー）で記述する完全な運動方程式を解く。
• 放射領域で均一な磁場を仮定し、有限距離を超えて磁場強度が急激に低下することによって粒子の脱出をモデル化する。
• 時間・空間・エネルギーに依存する完全な電子分布関数を用いてシンクロトロン放射を計算する。
• 粒子集団を現象的に入れ分け：同時に加速と冷却を受ける粒子と、冷却のみを受ける粒子。
• ダウンストリームのプラズマ速度 $u_s = c/10$ を仮定した相対論的ジェットフレームを用い、ドーピラー効果と光行時遅れ効果をモデル化する。
• 相対論的ビーム効果と時間遅延補正を適用し、固有の変動を観測光曲線に結びつける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 均一なシンクロトロンモデルが、観測されたブレーザーのスペクトルおよび変動を正確に再現できる条件は何か？
• RQ2 粒子加速時定数とシンクロトロン冷却時定数の相対的大きさが、明るさ変動に伴うスペクトル硬化・軟化にどのように影響するか？
• RQ3 放射領域内の光行時遅れが、固有の変動をどれほどなめらかにし、観測に影響を与えるか？
• RQ4 Mkn 501 で観測されたスペクトルカットオフは、均一モデルで説明可能か、それとも不均一性が必要か？
• RQ5 源の幾何学的構造と向きが、特に相対論的ビーム効果を受けるジェットにおいて、観測される変動パターンにどのように影響するか？

主な発見

• ダウンストリームのプラズマの流れが非相対論的で、衝撃波を横切る光行時遅れが無視できる場合、均一なシンクロトロンモデルが回復される。
• 加速時定数が冷却時定数に比べて著しく短い周波数帯では、明るさ上昇時にスペクトルが硬化し、下降時に軟化する—これは PKS 2155–304 や Mkn 421 での観測と一致する。
• 加速時定数と冷却時定数が同等に近い場合、逆のスペクトル挙動が予想される：明るさ上昇時に軟化し、下降時に硬化する。
• Mkn 501 で観測された鋭いスペクトル折り返しは、電子分布関数の急激なカットオフを伴う均一モデルによってよく再現され、放射領域内での不均一性が最小限であることを示唆している。
• Mkn 421 や SNR 1006 などの他の源で観測される広いスペクトル折り返しは、内部加速機構の性質よりも不均一性によってよりよく説明できる。
• Mkn 501 では、最大冷却時定数がピーク周波数におけるシンクロトロン冷却時定数の約 700 倍であるため、光行時遅れによるなめらかさがピーク周波数より高い周波数で支配的であると示唆される。