[論文レビュー] The physics and cosmology of TeV blazars in a nutshell

Christoph Pfrommer, Avery E. Broderick+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 28, 2013

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、TeVブラーはビーム-プラズマ不安定性を介して銀河間物質を加熱し、相対論的電子-陽電子対を効率的に熱化すると提案する。このメカニズムは、リャン＝アルファフォレストにおける観測された逆転した温度密度関係を説明し、空洞部における矮星銀河の形成を抑制し、銀河団における二峰性コア温度を説明する。

ABSTRACT

The extragalactic gamma-ray sky at TeV energies is dominated by blazars, a subclass of accreting super-massive black holes with powerful relativistic outflows directed at us. Only constituting a small fraction of the total power output of black holes, blazars were thought to have a minor impact on the universe at best. As we argue here, the opposite is true and the gamma-ray emission from TeV blazars can be thermalized via beam-plasma instabilities on cosmological scales with order unity efficiency, resulting in a potentially dramatic heating of the low-density intergalactic medium. Here, we review this novel heating mechanism and explore the consequences for the formation of structure in the universe. In particular, we show how it produces an inverted temperature-density relation of the intergalactic medium that is in agreement with observations of the Lyman-alpha forest. This suggests that blazar heating can potentially explain the paucity of dwarf galaxies in galactic halos and voids, and the bimodality of galaxy clusters. This also transforms our understanding of the evolution of blazars, their contribution to the extra-galactic gamma-ray background, and how their individual spectra can be used in constraining intergalactic magnetic fields.

研究の動機と目的

• 標準的宇宙論モデルと観測されたリャン＝アルファフォレストの性質との間に生じる不一致を、新たな加熱メカニズムを導入することで解消すること。
• ミルキーウェイに類似したハローにおける欠落した衛星銀河問題に応えるために、遅発形成の矮星銀河の形成を抑制すること。
• ブラー加熱によるエントロピー増大を通じて、銀河団における二峰性コア温度を説明すること。
• 過剰なGeVバンド発光を避けるために、観測された銀河間ガンマ線背景とブラー寄与を整合させる。
• 従来の逆コンプトンカスケードモデルに挑戦し、ビーム-プラズマ不安定性を主要なエネルギー散逸メカニズムとして提案すること。

提案手法

• キネティック斜め不安定性の成長率を用いて、TeVガンマ線対生成から生じる超相対論的電子-陽電子対の冷却をモデル化する。
• キネティック斜め不安定性の成長率 ΓM,k を逆コンプトン冷却率 ΓIC と比較し、エネルギー散逸における優位性を特定する。
• 銀河間物質（IGM）の音速と密度を用いて、ブラー加熱によるジェンス質量の増大 MJ,blazar ∝ (T_blazar / T_photo)^3/2 を計算する。
• フィルタリング質量形式を用いて、異なる赤方偏移および過密度における矮星銀河形成の抑制を評価する。
• 非線形補正を流体力学的シミュレーションから取り入れ、高密度領域および空洞部におけるフィルタリング質量を精緻化する。
• 宇宙論的シミュレーションを用いて、ブラー加熱が構造形成およびIGM熱力学に与える長期的影響を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ビーム-プラズマ不安定性は、宇宙規模においてTeVブラーが生成する対を10倍以上も速く冷却し、熱化を効率的に行えるか？
• RQ2 ブラー加熱は、リャン＝アルファフォレストの観測と整合する銀河間物質における逆転した温度密度関係を生じるか？
• RQ3 ブラー加熱は、低密度環境における遅発形成矮星銀河の形成をどの程度抑制するか？
• RQ4 ブラー加熱は、銀河団における二峰性コア温度分布をどのように説明するか？
• RQ5 このメカニズムは、観測された銀河間ガンマ線背景と、未解明のTeVブラー寄与を整合させることができるか？

主な発見

• キネティック斜め不安定性は、逆コンプトン散乱よりも10倍以上も速くTeVブラー対を冷却し、エネルギー散逸の主要メカニズムとなる。
• ブラー加熱により、純粋な光加熱モデルと比較してジェンス質量が約30倍に増大し、構造形成が顕著に抑制される。
• 平均密度領域（空洞部）では、フィルタリング質量がそれぞれ10倍（50倍）に増大し、遅発形成の矮星銀河の形成が阻止される。
• この抑制は、欠落した衛星銀河問題の解決に寄与し、低密度領域における銀河数の減少を説明する「空洞現象」を解明する。
• ブラー加熱は、銀河団における二峰性コア温度を説明できる：初期に形成されたグループは冷却し、コアを冷ますが、遅くに形成されたグループは冷却が遅れ、高いエントロピーを維持する。
• このメカニズムは、GeV帯発光を過剰に生じさせることなく、等方的および非等方的ガンマ線背景を一貫して説明可能である。