[論文レビュー] Relaxation of Blazar Induced Pair Beams in Cosmic Voids: Measurement of Magnetic Field in Voids and Thermal History of the IGM

Francesco Miniati, A. Elyiv|arXiv (Cornell University)|Aug 8, 2012

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、ブレーザーからのTeVガンマ線が生成する超相対論的電子・陽電子ビームの宇宙空洞内での安定性を調査する。モンテカルロシミュレーションと運動論理論を用いて、非線形ランドウ減衰および密度非均一性がプラズマ波の成長を抑制することを明らかにした。その結果、ビームの緩和 timescale は逆コンプトン損失 timescale よりもはるかに長く、宇宙間物質の熱的歴史や磁場測定への影響は最小限にとどまる。

ABSTRACT

The stability properties of a low density ultra relativistic pair beam produced in the intergalactic medium by multi-TeV gamma-ray photons from blazars are analyzed. The problem is relevant for probes of magnetic field in cosmic voids through gamma-ray observations. In addition, dissipation of such beams could affect considerably the thermal history of the intergalactic medium and structure formation. We use a Monte Carlo method to quantify the properties of the blazar induced electromagnetic shower, in particular the bulk Lorentz factor and the angular spread of the pair beam generated by the shower, as a function of distance from the blazar itself. We then use linear and nonlinear kinetic theory to study the stability of the pair beam against the growth of electrostatic plasma waves, employing the Monte Carlo results for our quantitative estimates. We find that the fastest growing mode, like any perturbation mode with even a very modest component perpendicular to the beam direction, cannot be described in the reactive regime. Due to the effect of non-linear Landau damping, which suppresses the growth of plasma oscillations, the beam relaxation timescale is found significantly longer than the inverse Compton loss time. Finally, density inhomogeneities associated with cosmic structure induce loss of resonance between the beam particles and plasma oscillations, strongly inhibiting their growth. We conclude that relativistic pair beams produced by blazars in the intergalactic medium are stable on timescales long compared to the electromagnetic cascade's. There appears to be little or no effect of pair-beams on the intergalactic medium.

研究の動機と目的

• ブレーザーからの多TeVガンマ線が宇宙間物質（IGM）で生成する相対論的ペアビームの安定性を評価すること。
• ガンマ線観測を用いた、このようなビームが宇宙空洞内の磁場をプローブする可能性を評価すること。
• ビームの散逸がIGMの熱的歴史を顕著に変えるか、構造形成に影響を与えるかを調査すること。
• 非線形ランドウ減衰および密度非均一性がプラズマ波の成長を抑制する役割を定量化すること。
• ペアビームの緩和 timescale が電磁シャワーの timescale に対してどの程度のものかを特定すること。

提案手法

• TeVガンマ線からの電磁シャワー発展をモンテカルロ法でシミュレートし、生成されるペアビームの平均ローレンツ因子と角度拡散を追跡する。
• 線形および非線形運動論理論を用いて、相対論的ペアビームが存在する状況下での静電プラズマ波の成長をモデル化する。
• モンテカルロの結果をもとに、ビーム安定性および波の成長率の定量的推定を行う。
• 非線形ランドウ減衰がビーム系においてプラズマ振動をどのように抑制するかを分析する。
• 宇宙構造に起因する密度非均一性が、ビーム粒子とプラズマ波の間の共鳴をどのように破壊するかを評価する。
• ビームの緩和 timescale と逆コンプトン損失 timescale を比較し、ビームの持続性および潜在的影響を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙空洞内でのブレーザーガンマ線が生成する相対論的ペアビームは、IGMの熱的進化に関与する timescale において安定を保てるか？
• RQ2 非線形ランドウ減衰は、ビーム系において静電プラズマ波の成長をどの程度抑制するか？
• RQ3 宇宙間物質内の密度非均一性は、ビーム粒子とプラズマ振動の間の共鳴にどのように影響を与えるか？
• RQ4 ビームの緩和 timescale が逆コンプトン損失 timescale よりも長い場合、エネルギー散逸は最小限に抑えられるか？
• RQ5 このようなペアビームは、ガンマ線観測を用いて宇宙空洞内の磁場を効果的にプローブできるか？

主な発見

• 最も成長が速い静電プラズマ波モードは、顕著な垂直成分を有するため、反応的領域では記述できない。その結果、強い非線形効果が生じる。
• 非線形ランドウ減衰が強くプラズマ波の成長を抑制し、ビームの緩和 timescale が逆コンプトン損失 timescale よりも著しく長くなる。
• 宇宙構造に起因する密度非均一性が、ビーム粒子とプラズマ波の間の共鳴を破壊し、波の成長をさらに抑制する。
• ビームは電磁シャワーの timescale よりもはるかに長い timescale にわたり安定を保ち、散逸は最小限に抑えられる。
• その結果、ペアビームが宇宙間物質の熱的歴史に顕著な影響を与えることはほとんどない。
• このメカニズムは、磁場をプローブするための有効な手段とはならない。