[論文レビュー] Particle acceleration and the origin of the very high energy emission around black holes and relativistic jets

E. M. de Gouveia Dal Pino, G. Kowal+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 17, 2018

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 26被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、ブラックホール周囲の磁場支配プラズマおよび相対論的ジェットにおける乱流的磁気リコネクションが、非常に高エネルギー（最大1ペタエレクトロンボルト、PeV）にまで粒子を効率的に加速できることを提案しており、AGN やブラックホール系で観測された非常に高エネルギー（VHE）ガンマ線およびニュートリノ放射の起源を説明している。シミュレーションでは、コロナおよびジェット領域におけるリコネクションが、パワーロウ粒子スペクトルと急速かつ指数的エネルギー増加を生じさせ、ブレーザーから非ブレーザー型の低放射率AGN（LLAGN）およびブラックホール連星まで、10乗のオーダーにわたる源タイプにおいて観測されたVHE放射度–ブラックホール質量相関を再現している。

ABSTRACT

Particle acceleration induced by fast magnetic reconnection may help to solve current puzzles related to the interpretation of the very high energy (VHE) and neutrino missions from AGNs and compact sources in general. Our general relativistic-MHD simulations of accretion disk-corona systems reveal the growth of turbulence driven by MHD instabilities that lead to the development of fast magnetic reconnection in the corona. In addition, our simulations of relativistic MHD jets reveal the formation of several sites of fast reconnection induced by current-driven kink turbulence. The injection of thousands of test particles in these regions cause acceleration up to energies of several PeVs, thus demonstrating the ability of this process to accelerate particles and produce VHE and neutrino emission, specially in blazars. Finally, we discuss how reconnection can also explain the observed VHE luminosity-black hole mass correlation, involving hundreds of non-blazar sources like Perseus A, and black hole binaries.

研究の動機と目的

• 活動銀河核（AGN）およびコン pact ソースからの非常に高エネルギー（VHE）ガンマ線およびニュートリノ放射の起源を説明すること。
• 乱流的磁気リコネクションが、10乗のオーダーにわたる源タイプにおいて観測されたVHE放射度–ブラックホール質量相関を説明できるかどうかを調査すること。
• 磁場支配領域におけるリコネクションによる粒子加速が、必要な宇宙線エネルギーおよび放射スペクトルを生じさせられるかどうかを特定すること。
• ブレーザーのジェットおよび非ブレーザー型AGNコアにおいて、磁気リコネクションが粒子加速の主因である可能性を検証すること。
• ペア生成によって完全に吸収されないTeVガンマ線およびニュートリノを生成するにあたり、リコネクションの果たす役割を評価すること。

提案手法

• 降着円盤–コロナ系および相対論的ポインティングフラックス支配ジェットの3次元一般相対論的磁気流体力学（GR-MHD）シミュレーションを実施した。
• ヘリカル磁場を有する回転する磁場支配ジェットに、ねじれ不安定化を引き起こすためのねじれ摂動を導入し、電流駆動型キック（CDK）不安定化を誘発した。
• 高分解能MHDシミュレーションにより、乱流的電流シートおよび高速磁気リコネクション領域の形成を追跡し、リコネクション速度が局所アルヴェーン速度の約0.05–0.1に達することを確認した。
• フェルミ型加速をモデル化するため、リコネクション領域に数千個のテスト粒子を注入し、エネルギー増加およびスペクトルの時間的変化を追跡した。
• 解析的モデルを用いてリコネクション出力の推定値を求め、ブラックホール連星およびLLAGNにおける観測されたガンマ線放射度と比較した。
• 再結合加速された宇宙線を用いて、BHBおよびLLAGN（例：ペルセウスA）のスペクトルエネルギー分布（SED）を評価し、ppおよびpγ反応によるTeV放射を再現した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ブラックホール系のコロナおよびジェットにおける乱流的磁気リコネクションは、粒子をペタエレクトロンボルト（PeV）エネルギーまで加速できるか？
• RQ2 リコネクション駆動型加速機構は、ブレーザーおよび非ブレーザー型AGNにおける観測されたVHEガンマ線およびニュートリノ放射を再現できるか？
• RQ3 AGNコアおよびブラックホール連星におけるリコネクション出力は、10乗のオーダーにわたる源タイプにおいて観測されたガンマ線放射度–ブラックホール質量相関を説明できるか？
• RQ4 ペルセウスAやブラックホール連星のような源からのTeV放射は、ペア生成によって完全に吸収されない再結合加速宇宙線によって説明可能か？
• RQ5 乱流は、磁場支配プラズマにおける高速リコネクションおよび効率的粒子加速を可能にする役割を果たすか？

主な発見

• 相対論的ジェット内の乱流的電流シートにおける高速磁気リコネクションは、局所アルヴェーン速度の約0.05–0.1のリコネクション速度を達成し、迅速な粒子加速を可能にする。
• リコネクション領域に注入されたテスト粒子は、AGNジェット内で数パーセク未満の距離で指数的エネルギー増加を示し、最大で約10^19 eV（10ペタエレクトロンボルト、PeV）に達する。
• シミュレーションで得られた粒子エネルギースペクトルは、指数が−1から−2のパワーロウ分布に従い、VHE源の観測結果と整合的である。
• ブラックホール系のコア領域におけるリコネクション出力は、非ブレーザー型LLAGNおよびブラックホール連星において観測されたガンマ線放射度–ブラックホール質量相関と一致する。
• AGNコアにおける再結合加速宇宙線は、ペア生成によって完全に吸収されないppおよびpγ反応によりTeVガンマ線を生成でき、ペルセウスAおよびBHBのSEDモデリングによって裏付けられた。
• 同様のメカニズムは高エネルギーニュートリノを自然に生成し、アイスカウルが観測した銀河間の拡散ニュートリノフラックスの妥当な説明を提供する。