[論文レビュー] Relativistic Flows in TeV Blazars

Amir Levinson|ArXiv.org|Aug 3, 2008

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、Blazarsにおける急速なTeVフレアが、10⁸ M⊙未満のブラックホール質量と約2×10⁴ Gの磁場を有する相対論的アウトフローによって駆動され、内部衝撃または再収縮衝撃を通じて効率的なエネルギー散逸が可能であると提案する。このモデルは、短時間スケールの変動性と高い輝度を、小半径でのジェットエネルギー散逸によって説明し、観測されたTeV放射と中心エンジンのエネルギー・運動学的特性を整合させる。

ABSTRACT

Rapid variability of the TeV emission in several blazars implies a central black hole mass $M_{BH}<10^8M_\odot$, appreciably smaller than the values estimated from the $M_{BH}-L_{bulg}$ relation, and Doppler factors for the $γ$-ray emitting fluid much larger than those associated with radio patterns. We discuss the conditions in the central engine required to account for the short timescales and large luminosities observed, and propose some explanations for the inferred kinematics of the source on various scales.

研究の動機と目的

• 観測された急速なTeV変動時間スケールとM_BH-L_bulge関係から推定されるブラックホール質量との不一致を解消すること。
• TeV放射から推定される大きなドーナツ因子と、電波構造から推定されるそれらとの不一致を説明し、異なる放射領域または運動学的メカニズムを示唆すること。
• TeVフレアにおける高い等価同方向輝度（L_TeV ≥ 10⁴⁶ erg s⁻¹）を、相対論的アウトフローにおける効率的なエネルギー散逸によって説明すること。
• TeV放射領域がブラックホールに近いか、あるいはより大きな半径（例：M87のHST-1）に位置するかを検討し、そのような短時間変動を可能にする物理的条件を同定すること。
• 極端な降着条件下でも、Blandford-Znajek機構と磁場配置が観測されたフレアを駆動するのに実現可能かどうかを評価すること。

提案手法

• PKS 2155-304における観測された変動時間スケールt_var ≈ 300 sを用い、r_g/cを介してブラックホール質量を推定し、M_BH ≲ 5×10⁷ M⊙ t_300を得る。
• Blandford-Znajek出力式L_BZ = 10⁴⁵ ε B₄² M₈² erg s⁻¹を適用し、必要な磁場強度B₄ ≳ 2(ε/0.1)^{-1/2} t_300^{-1} θ_{-1} L_TeV,46^{1/2}を推定する。
• 内部衝撃または障害物との衝突によるエネルギー散逸を検討し、ボリュームパワーのうち(d/r_g)²のみが放射され、結果としてL_j ∝ (r_g/d)² f_b L_TeVの関係が得られる。
• HST-1（M87）のような大半径での再収縮衝撃によるジェット焦点化を評価し、わずかな冷却によって断面積半径aがa/r_HST1 ≲ 10⁻³にまで小さくなる可能性を検討する。
• γγ対生成の光学厚さτ_γγ(Γ₀ε_max) ≳ fewを評価し、相対論的フロントの減速とTeV光子の脱出を検討する。
• VLBI電波データからの最小ジェット出力とTeV輝度を比較し、背景放射（L_s ~ 10⁴¹–10⁴² erg s⁻¹）を含めると整合的であることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PKS 2155-304における観測された300秒の変動時間スケールからどのようなブラックホール質量が導かれるか？また、それはM_BH-L_bulge関係からの推定値とどのように矛盾するか？
• RQ2 短いフレアで観測されたTeV輝度（L_TeV ≥ 10⁴⁶ erg s⁻¹）を駆動するには、どの程度の磁場強度とBlandford-Znajek出力が必要か？
• RQ3 観測されたTeV放射が大きな距離（例：M87のHST-1）から起因する可能性はあり、そのスケールで短時間変動を可能にする物理的メカニズムは何か？
• RQ4 LLAGNに類似した放射からのソフト光子背景（例：L_s ~ 10⁴¹–10⁴² erg s⁻¹）が、相対論的ジェット内でのTeV γ線の伝播と脱出にどのように影響するか？
• RQ5 パーセクスケールの距離で発生する再収縮衝撃が、非常にコンパクトな放射領域を必要とせずに、観測された変動時間スケールを説明するのに十分にジェットを焦点化できるか？

主な発見

• PKS 2155-304における300秒の変動時間スケールから、M_BH ≲ 5×10⁷ M⊙ t_300のブラックホール質量が推定され、M_BH-L_bulge推定値（約2×10⁸ M⊙）と顕著に小さい。
• Blandford-Znajek機構によるTeVフレア駆動には、B₄ ≳ 2(ε/0.1)^{-1/2} t_300^{-1} θ_{-1} L_TeV,46^{1/2}の磁場強度が必要であり、典型的なパラメータではB₄ ≳ 2が要求される。
• 磁場がディスクエネルギー密度と等分配状態にあれば、降着率がEddington限界（ṁ ~ 1）に近く、η ~ 0.1であれば、必要な磁場強度は達成可能である。
• M87のHST-1ノードはブラックホールから約60 pcの距離に位置し、X線変動時間スケールがt_var ≲ 0.14年であり、これにより源サイズΔr ≲ 0.022ΓD pcが得られ、ブラックホールからの距離に比べて著しく小さい。
• HST-1における再収縮衝撃によるジェット焦点化は、断面積半径をa/r_HST1 ≲ 10⁻³まで小さくでき、大半径でも短時間変動スケールを説明可能である。
• 本モデルは、エネルギーとともにγ-球面半径が増加するという観測的傾向（最近のMrk 501観測と整合）を説明できる。