[論文レビュー] The Role of Plasma Instabilities in the Propagation of Gamma-Rays from Distant Blazars

Andrey Saveliev, Carmelo Evoli+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 26, 2013

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、遠方の図説的BlazarからのGeVガンマ線放射を抑制するメカニズムとして、銀河間物質（IGM）内のプラズマ不安定性が、銀河外磁場（EGMF）とは別な代替機構である可能性を検討している。モンテカルロシミュレーションによる電磁カスケードの結果、TeVガンマ線から発生する相対論的電子・陽電子ビームは、IGM内での2流体不安定性によって抑制され、$ T \lesssim 5 \times 10^4\,\text{K} $ の臨界IGM温度が、1ES 0229+200のFermi-HESS観測データを説明できる。これは $ B \gtrsim 10^{-16}\,\text{G} $ の磁場による抑制と同等の効果を持つ。

ABSTRACT

The observation in the GeV band of distant blazars has been recently used to put constraints on the Extragalactic Background Light (EBL) and Extragalactic Magnetic Fields (EGMF). To support such claims one has to assume that the leptonic component of the electromagnetic cascade initiated by blazar gamma-rays is deflected away by strong enough EGMF, suppressing the signal in the Fermi window. Apart from magnetic fields, the development of such a cascade might be affected by plasma instabilities due to interactions with the ionized component of the Intergalactic Medium (IGM). In this paper we model the electromagnetic cascade through a Monte Carlo simulation in which both effects are taken into account separately, and we derive constraints on these scenarios from the combined Fermi-HESS data set. In the specific case of 1ES 0229+200 observations, we show that both explanations of the GeV flux suppression are compatible with the available data, specifically by assuming a magnetic field of $B \gtrsim 10^{-16}\, m{G}$ or an IGM temperature of $T \lesssim 5 imes 10^{4}\, m{K}$ along the line of sight. Future observations of the spectra of high redshift ($z\lesssim 1$) TeV objects will help to distinguish magnetic field and plasma effects on electromagnetic cascades in the IGM.

研究の動機と目的

• 遠方のBlazarからのガンマ線の電磁カスケードが、IGM内のプラズマ不安定性によって抑制されるかどうかを評価し、EGMFによる偏光とは別な代替説明を提示すること。
• モンテカルロシミュレーションフレームワークを用いて、IGM内での電磁カスケードの発展を、プラズマ効果と磁場による偏光の両方を含めてモデル化すること。
• プラズマ不安定性の効果が、特に1ES 0229+200の観測されたGeV線量の抑制を再現できるかどうかを、FermiとHESSの併合データを用いて検証すること。
• 今後の高赤方偏移（z ≤ 1）のTeV源観測を通じて、プラズマ不安定性と磁場の両者の状況を区別すること。
• IGM温度と電子ビーム密度が、2流体不安定性の強度とカスケード発展に与える影響を評価すること。

提案手法

• モンテカルロシミュレーションにより、BlazarからのTeVガンマ線が引き起こす完全な電磁カスケードをモデル化し、EBL上での対生成とCMB上での逆運動量散乱を含む。
• EGMFとIGM内プラズマ不安定性の効果を別々に取り入れ、Broderickら（2012）およびSchlickeiserら（2012, 2013）の既存の形式を用いる。
• 相対論的電子・陽電子ビームの物理的性質を動的に決定し、ガンマ線の全放射度と赤方偏移からビーム密度を導出する。
• 2流体不安定性の成長率は、磁場のないプラズマの分散関係を用いて計算し、弱い・強い領域の遷移は式（12）の条件で定義する。
• 電子の緩和時間 $ \tau_{\text{r}} $ をプラズマ効果に基づいて計算し、冷却および相互作用時間スケールと比較する。
• 異なるIGM温度と磁場強度の下でのスペクトルを生成し、1ES 0229+200のFermi-HESS観測データと比較して制約を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 IGM内でのプラズマ不安定性は、遠方のBlazarからの電磁カスケードを抑制し、EGMFによる偏光とは別な妥当な代替説明となる可能性があるか？
• RQ2 1ES 0229+200の観測されたGeV線量の抑制を再現するため、IGMに必要な温度はどの程度か？（Fermi-HESSデータに基づく）
• RQ3 プラズマ不安定性による抑制のスペクトル的特徴と、磁場による偏光の特徴は、スペクトル的特徴と赤方偏移依存性の面でどのように異なるか？
• RQ4 弱い・強いBlazar領域の遷移が、プラズマ駆動カスケード抑制の効率に与える影響は何か？
• RQ5 今後の高赤方偏移（z ≤ 1）のTeVBlazar観測により、プラズマ不安定性と磁場の両状況を区別できるか？

主な発見

• IGM内でのプラズマ不安定性は、TeVガンマ線からの電磁カスケードの発展を顕著に抑制し、Fermi LATが観測するGeV線量を減少させる。
• z = 0.14のBlazar 1ES 0229+200では、観測されたGeV線量の抑制を再現するため、$ T \lesssim 5 \times 10^4\,\text{K} $ の臨界IGM温度が必要であり、これは $ B \gtrsim 10^{-16}\,\text{G} $ の磁場による抑制と同等の効果を持つ。
• プラズマ不安定性による抑制は、TeV付近の高い電子エネルギーで顕著に強まり、2流体不安定性が支配的になるため、磁場による偏光よりもカスケード抑制がより効率的である。
• 弱い・強い不安定性領域の遷移に起因する、2番目のピークがガンマ線スペクトルに予測される。これは特徴的な観測的特徴となる可能性がある。
• 両者のスペクトル的傾向は異なる：プラズマ不安定性による抑制は赤方偏移とともに増加する（ビーム成長が強くなるため）が、磁場による偏光抑制は赤方偏移とともに減少する。
• 今後のHESS-IIおよびCTAによる高赤方偏移（z ≤ 1）TeV源の観測が、電磁カスケードにおけるプラズマ不安定性と磁場効果を区別する上で極めて重要である。