[論文レビュー] The Physics of Hybrid Thermal/Non-Thermal Plasmas

P. Coppi|arXiv (Cornell University)|Mar 10, 1999

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 1被引用数 19

ひとこと要約

本稿では、マクスウェル分布に非熱的パワー則尾を有するハイブリッド熱的／非熱的プラズマが、純粋な熱的または非熱的モデルよりも、銀河系ブラックホール候補のX線スペクトルをよりよく説明できることを提唱する。新しい自己整合的放射コードを用いて、こうしたプラズマが1つの臨界半径パラメータのみを用いて、サイゲニウスX-1のソフト状態、ハード状態、遷移状態のスペクトルを再現できることを示し、従来のモデルにおける不一致を解消する。

ABSTRACT

Models of the continuum radiation from accreting hot plasmas typically assume that the plasma heating mechanism produces energetic particles distributed in energy either as a Maxwellian (the ``thermal'' models) or as an extended power law (the ``non-thermal'' models). The reality, however, is that neither description is probably accurate. In other astrophysical contexts where we have been able to observe the actual particle energy distributions, e.g. solar system plasmas, and in many particle acceleration theories, the heating mechanism supplies only some fraction of the available energy to very energetic particles. The remainder goes into producing lower energy particles which settle into a quasi-Maxwellian energy distribution. Here, I review the arguments for ``thermal'' versus ``non-thermal'' plasmas in accreting black hole systems and discuss the physics and emission properties of ``hybrid'' plasmas, where the particle distribution energy is approximately a Maxwellian plus a power law tail. Using results from a new emission code, I then show that such plasmas may be relevant to explaining recent observations, particularly those of Galactic black hole candidates in their soft state.

研究の動機と目的

• 降着ブラックホールプラズマが純粋に熱的または非熱的であるという仮定に挑戦し、実際のプラズマはハイブリッド的であると主張する。
• 熱的および非熱的パワー則分布を有する電子分布を有するプラズマの物理的および放射特性を調査する。
• ハイブリッドプラズマモデルが、特にソフト状態における銀河系ブラックホール候補の観測スペクトルを説明できるかどうかを検証する。
• コンプトン化と多重散乱が、光子が不足する環境における熱的および非熱的電子分布の違いを隠ぺいする役割を果たすメカニズムを探索する。
• 冷たいディスクとホットディスクの間の遷移半径パラメータを1つにすることで、Cyg X-1のスペクトル状態を統一的に説明する現象論的モデルを提供する。

提案手法

• 熱的およびパワー則分布を有する両方の電子エネルギー分布を持つハイブリッドプラズマからのスペクトルを計算するための新しい自己整合的放射コードを開発する。
• 臨界半径が、冷たい標準ADAFA型ホットコロナと冷たい標準ディスクを分けるものであると仮定し、降着ディスクコロナの状態にモデルを適用する。
• 混合された電子エネルギー分布を有するプラズマにおける光子散乱をシミュレートするために、モンテカルロコンプトン化技術を用いる。
• Cyg X-1のソフト状態、ハード状態、遷移状態における観測X線データと、モデルスペクトルを比較する。
• 多重コンプトン散乱がスペクトル形状に与える影響を分析し、平均エネルギー移動が分布の詳細に強く依存しないことを示す。
• 高エネルギースペクトル行動および対バランスを評価するため、対プラズマ物理学およびガンマ線対生成のしきい値を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ハイブリッド熱的／非熱的プラズマは、純粋な熱的または非熱的モデルよりも、銀河系ブラックホール候補のX線スペクトルをよりよく説明できるか？
• RQ2 降着ディスクコロナ内で、熱的および非熱的電子分布の混合を生じさせる物理的メカニズムは何か？
• RQ3 電子エネルギー分布が純粋な熱的でないハイブリッド状態である場合、多重コンプトン散乱は観測スペクトルにどのように影響を与えるか？
• RQ4 Cyg X-1の観測スペクトル状態（ソフト状態、ハード状態、遷移状態）が、移動する遷移半径を持つ1つの基本モデルからどのように生じるか？
• RQ5 光子が不足する系、例えばブラックホール連星のハード状態では、非熱的電子加速が行われているにもかかわらず、なぜスペクトルが熱的のように見えるのか？

主な発見

• マクスウェル分布コアに非熱的パワー則尾を有するハイブリッドプラズマは、1つの臨界半径パラメータのみを用いて、Cyg X-1のソフト状態、ハード状態、遷移状態のスペクトルを再現できる。
• モデルは、光子が不足する環境におけるコンプトン化が、熱的および非熱的電子分布の違いを平均化し、顕著な非熱的成分が存在してもスペクトルが熱的のように見えることを示している。
• 非熱的成分が非常に硬いか、システムが光子が豊富な状態（例：ソフト状態）でない限り、スペクトルは純粋な熱的モデルとほとんど区別がつかない。
• 銀河系ブラックホール候補のソフト状態は、多重散乱と高い光子密度によって隠ぺいされる顕著な非熱的尾を有するハイブリッドプラズマによってよりよく説明できる可能性がある。
• 非熱的加速が、特に200 keV以上のエネルギーで出力スペクトルを歪めないよう、非常に急勾配のパワー則分布（大部分のエネルギーが低エネルギー電子に集中）を生じさせなければならない。
• 対プラズマ物理学および高エネルギー光子生成のしきい値は、電子分布の正確な形状に敏感であるため、高エネルギースペクトルの詳細は依然として非熱的成分の存在を明らかにできる可能性がある。