[論文レビュー] RadioAstron discovery of a mini-cocoon around the restarted parsec-scale jet in 3C 84

T. Savolainen, G. Giovannini+20 more|arXiv (Cornell University)|Nov 8, 2021

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

RadioAstronを用いた5 GHzおよび22 GHzの宇宙VLBI観測により、3C 84の再起動したパーセクスケールジェットを取り囲む、以前に検出されていなかった低強度のミニココォンが明らかになった。これは、ジェットエネルギーのおよそ50%が、密度の高い中心領域に膨張する高温で圧力がかかるプラズマバブルに放出されていることを示しており、ココォンの圧力がジェットの円筒形の構造を説明し、星間媒体へのエネルギー移動を強化している。

ABSTRACT

We present RadioAstron space-based very long baseline interferometry (VLBI) observations of the nearby radio galaxy 3C84 (NGC1275) at the centre of the Perseus cluster. The observations were carried out on September 21-22, 2013 and involved a global array of 24 ground radio telescopes observing at 5 GHz and 22 GHz, together with the Space Radio Telescope (SRT). Furthermore, the Very Long Baseline Array (VLBA) and the phased Very Large Array (VLA) observed the source quasi-simultaneously at 15 GHz and 43 GHz. Fringes between the ground array and the SRT were detected on baseline lengths up to 8.1 times the Earth's diameter, providing unprecedented resolution for 3C 84 at these wavelengths. We note that the corresponding fringe spacing is 125 microarcsec at 5 GHz and 27 microarcsec at 22 GHz. Our space-VLBI images reveal a previously unseen sub-structure inside the compact 1 pc long jet that was ejected about ten years earlier. In the 5 GHz image, we detected, for the first time, low-intensity emission from a cocoon-like structure around the restarted jet. Our results suggest that the increased power of the young jet is inflating a bubble of hot plasma as it carves its way through the ambient medium of the central region of the galaxy. Here, we estimate the minimum energy stored in the mini-cocoon, along with its pressure, volume, expansion speed, and the ratio of heavy particles to relativistic electrons, as well as the density of the ambient medium. About half of the energy delivered by the jet is dumped into the mini-cocoon and the quasi-spherical shape of the bubble suggests that this energy may be transferred to a significantly larger volume of the interstellar medium than what would be accomplished by the well-collimated jet on its own. The pressure of the hot mini-cocoon also provides a natural explanation for the almost cylindrical jet profile seen in the 22 GHz RadioAstron image.

研究の動機と目的

• 超長基線宇宙VLBIを用いて、3C 84のジェットにおけるサブパーセクスケール構造を、類似例のない角分解能で解明すること。
• ペルセウス銀河団の銀河NGC 1275の中心領域におけるジェットと周囲媒体の相互作用のエネルギー収支および物理的状態を調査すること。
• 観測されたジェットの形状および低強度の放出構造が、再起動ジェットによって膨張した圧力がかかるココォンによって説明可能かどうかを特定すること。
• シンクロトロン放射およびエネルギー保存則を用いて、ミニココォンの最小エネルギー、圧力、粒子密度比（k）を推定すること。
• ココォンが単独の細いジェットと比較して、星間媒体へのエネルギー移動をどの程度強化しているかを評価すること。

提案手法

• 8.1地球直径に達する基線を実現するため、RadioAstron衛星と24基の地上電波望遠鏡アレイを用いて、5 GHzおよび22 GHzで宇宙VLBI観測を実施した。
• 15 GHzおよび43 GHzでの準同時的VLBAおよびフェーズド-VLA観測データを統合し、形状およびスペクトル的性質の妥当性を検証した。
• 縞干波干渉計およびアパーチャ合成画像化を用いて、125 μas（5 GHz）および27 μas（22 GHz）の角分解能でサブ構造を解像した。
• 最小エネルギーおよび等分配仮定を適用し、ココォン構造内のエネルギー含量、圧力、および粒子分布比（k）を推定した。
• 時間分解能のある運動学的解析から得られるジェット先端の移動速度を用いて、形状モデリングによりココォンの膨張速度およびアスペクト比を計算した。
• 最小エネルギー仮定のもとで、ココォンを閉じ込めるために必要な周囲媒体の密度を、ココォン内に蓄えられた最小エネルギーとジェット出力、観測されたシンクロトロン損失時定数とをバランスさせることで推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 5 GHzにおける3C 84ジェットの内側1 pc未満で以前に観測されなかったサブ構造の背後にある物理的構造は何か？
• RQ2 ミニココォンにどれほどエネルギーが蓄えられており、そのうちジェット総出力の何パーセントがこの構造に供給されているか？
• RQ3 ミニココォンの圧力が、22 GHzおよび43 GHzで観測された円筒形のジェット形状を説明できるか？
• RQ4 ミニココォンの推定年齢および膨張速度は何か？また、ジェット先端の移動速度と比較するとどうなるか？
• RQ5 最小エネルギー仮定のもとで、ミニココォンを閉じ込めるために必要な周囲媒体の密度は何か？また、独立した推定値と比較するとどうなるか？

主な発見

• 5 GHzにおける3C 84のサブパーセクスケールで、初めて低強度のココォン様構造が検出され、再起動ジェットによって高温プラズマバブルが膨張していることが示された。
• ミニココォンに蓄えられた最小エネルギーは、(3–4) × 10⁵¹(1+k)⁴/⁷ sin⁻³/⁷θ ergと推定され、k ≲ 30の場合、ジェットエネルギーのおよそ50%がココォンに供給されているとされる。
• 周囲媒体の密度はρₐ ≳ 5 × 10⁻²⁴(1+k)⁴/⁷ sin⁴/⁷θ g cm⁻³と推定され、k ≲ 20の場合、Fujita & Nagai (2017)の結果と整合的である。また、Faraday回転測定による上限値を上回っており、ジェットが周囲媒体に対して軽量であることを示唆している。
• ミニココォンは横方向に約0.1cの速度で膨張しており、アスペクト比は1.4である。これにより、単独の細いジェットよりもはるかに大きな星間媒体体積が処理可能である。
• 高温ミニココォンの圧力が、22 GHzおよび43 GHz画像で観測された円筒形ジェットプロファイルを自然に説明でき、長年の形状的パズルを解消した。
• シンクロトロン損失時定数は、ココォンの年齢が10年未満であることに整合的であり、源でのジェット再起動のタイミングとも一致している。