[論文レビュー] Self-Consistent Particle Acceleration in Active Galactic Nuclei

A. Mastichiadis J. G. Kirk|ArXiv.org|Aug 22, 1994

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ひとこと要約

本論文は、活性銀河核（AGN）における粒子加速の自己無撞撘な運動論的モデルを提示し、一次フォーマ過程による陽子加速と電子・陽電子対からの電磁気的カスケード、および光子損失を連携する。このモデルは、同期放射および逆コンプトン過程からのフィードバックが自然にX線スペクトル指数 ≈−1.7 と 50–500 keV の間のブレークを生じさせることを示し、OSSEおよびHEAO-1の観測結果と一致する。

ABSTRACT

Adopting the hypothesis that the nonthermal emission of Active Galactic Nuclei (AGN) is primarily due to the acceleration of protons, we construct a simple model in which the interplay of acceleration and losses can be studied together with the formation of the emitted spectrum. The acceleration process is assumed to be of the first order Fermi type, and the proton distribution as well as the injected electrons and photons in the central region of the AGN are described by spatially averaged kinetic equations. The various relevant processes which dominate the three species are incorporated into the equations. The technique used to solve these is presented and several tests of the numerical implementation are presented. We also present results of a sample time-dependent AGN model in which photons appear suddenly as a result of a feedback instability and the system evolves to a steady state, in which the acceleration process is saturated self-consistently by the photons it produces. This example combines an X-ray power law index of about -1.7, together with a break at an energy between 50 and 500~keV.

研究の動機と目的

• 陽子加速と放射損失および対カスケードを連携する、AGNにおける粒子加速の自己無撞撘モデルの構築。
• 陽子加速によって第一原理から導かれる非熱的電子および光子の注入を用いて、注入に関する自由パラメータを排除すること。
• 電磁気的カスケードからのフィードバックが加速過程を飽和させる役割を調査すること。
• 対／同期放射不安定性が、AGNにおける観測されたX線スペクトル的特徴を生じうるかどうかを検証すること。
• 多成分プラズマの運動論的方程式モデリングに用いられる近似法および数値的手法の妥当性を評価すること。

提案手法

• 陽子、電子／陽電子、光子の空間平均化された運動論的方程式を用い、すべての主要な相互作用プロセスを組み込む。
• 放射輸送を完全な放射移動方程式を解かずにモデル化するため、『漏れ確率』形式を適用する。
• 注入を事前に規定しないで、加速の物理から注入を導出する一次フォーマ過程による陽子加速をモデル化する。
• 全3種の粒子種に対して、自己無撞撘にソース項および損失項を含める：陽子-陽子および陽子-光子反応、同期放射および逆コンプトン損失、対生成。
• 近似および実装の正確性を保証するため、広範な検証テストを実施した数値スキームを採用する。
• 時間に依存する形で連立運動論的方程式系を解き、定常状態への進化を研究する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 陽子加速と電磁気的カスケードの自己無撞撘モデルは、AGNにおける観測されたX線スペクトル指数 ≈−1.7 を再現できるか？
• RQ2 同期放射および逆コンプトン損失からのフィードバックによって駆動される対／同期放射不安定性は、自然に50–500 keV の間のスペクトルブレークを生じるか？
• RQ3 陽子-陽子反応や光子-パイオン生成といった追加プロセスの含め方が、結果にどの程度影響を及ぼすか？
• RQ4 電子や光子の外部注入パラメータを事前に規定しなくても、モデルが観測されたX線スペクトルを再現できるか？
• RQ5 加速が自身の放射フィードバックによって飽和する状態に至るまでの系の動的進化はどのように進行するか？

主な発見

• モデルは観測結果（HEAO-1およびOSSE）と整合するX線スペクトル指数約 −1.7 を成功裏に再現した。
• 50 keV から 500 keV の間で自然にスペクトルブレークが出現し、セイフェルト銀河における最近のOSSE観測と一致する。
• 対／同期放射不安定性は、非線形領域でさえも主要なフィードバック機構であることが確認された。
• 陽子-陽子反応や光子-パイオン生成があっても、不安定性の効果は著しく抑制されない。
• 電子および光子注入に自由パラメータを必要とせず、物理的根拠に基づく加速および損失プロセスに依存する自己無撞撘な取り扱いが可能となった。
• 系が、自身が生成する光子によって陽子加速が飽和する定常状態に至ることを示し、フィードバック機構の妥当性が裏付けられた。