[論文レビュー] Tidal disruption jets as the source of Ultra-High Energy Cosmic Rays

Glennys R. Farrar, Tsvi Piran|arXiv (Cornell University)|Nov 3, 2014

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 15

ひとこと要約

本論文は、相対論的ジェットを伴う潮汐破壊現象（TDEs）が、超高エネルギー宇宙線（UHECRs >10^20 eV）をプロトンが加速可能であり、磁場閉じ込めのヒルラス基準を満たすと提唱している。スイフト J1644+57 の観測では、外側ジェット領域がUHECR生成に十分な B×R（磁場×サイズ）とエネルギー予算を有しており、モデル化により BR ≈ 3×10^17 ガウス・cm が得られ、プロトン加速の閾値にちょうど達している。これは、純粋なプロトン組成を持つUHECRの有力な供給源としてTDEジェットを支持するものである。

ABSTRACT

Observations of the spectacular, blazar-like tidal disruption event (TDE) candidates Swift J1644+57 and J2058+05 show that the conditions required for accelerating protons to 10^{20} eV appear to be realized in the outer jet, and possibly in the inner jet as well. Direct and indirect estimates of the rate of jetted-TDEs, and of the energy they inject, are compatible with the observed flux of ultra-high energy cosmic rays (UHECRs) and the abundance of presently contributing sources. Thus TDE-jets can be a major source of UHECRs, even compabile with a pure proton composition.

研究の動機と目的

• 潮汐破壊現象（TDEs）に伴う相対論的ジェットが、超高エネルギー宇宙線（UHECRs）の源として機能可能かどうかを調査すること。
• 特に磁場強度とサイズが、プロトンを 10^20 eV に加速するためのヒルラス基準を満たすかどうかを検証すること。
• ジェット付きTDEの観測された発生率とエネルギー注入が、観測されたUHECRフラックスおよび到着方向のクラスタリングの欠如を説明可能かどうかを評価すること。
• 物理的モデル、特に逆コンプトン冷却効果を考慮して、TDEジェットにおける顕著なエネルギー増加を解釈すること。

提案手法

• UHECR加速可能性を評価するため、ヒルラス基準（BR ≥ 3×10^17 Γ^−1 Z^−1 E_20 ガウス・cm）をTDEジェットに適用する。
• スイフト J1644+57 の等分配推定と電波/X線観測を用いて、磁場強度とジェットエネルギー含量を推定する。
• シンクロtron放射および外部逆コンプトン放射メカニズム（ブルラーや類似モデル）を用いてX線および電波放射をモデル化し、内側および外側ジェット領域のB×Rを推定する。
• X線光子による電波放射電子の逆コンプトン冷却を考慮し、等分配解析でジェットエネルギーが低く見積もられる可能性を検討する。
• TDEからの推定エネルギー注入率と観測されたUHECRフラックスおよび源密度制約を比較する。
• TDE発生率（van Velzen & Farrar, 2014）を用いて、観測されたUHECRフラックスを説明するのに必要な活動源数を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スイフト J1644+57 のようなTDEの外側ジェットが、10^20 eV にプロトンを加速するためのヒルラス基準を満たすことができるか？
• RQ2 スイフト J1644+57 の電波放射領域における観測されたエネルギー予算とB×R積が、UHECR生成に十分か？
• RQ3 スイフト J1644+57 におけるジェットエネルギーの時間的増加は、実際のエネルギー注入を反映しているのか、それとも逆コンプトン冷却に起因する誤差の可能性があるか？
• RQ4 観測されたTDE発生率とエネルギー注入率は、観測されたUHECRフラックスおよび到着方向のクラスタリングの欠如を説明可能か？
• RQ5 TDEジェットが主要な供給源である場合、UHECRの組成が純粋なプロトン由来であると整合するか？

主な発見

• スイフト J1644+57 の外側ジェットは、B×Rが約 3×10^17 ガウス・cm であり、10^20 eV にプロトンを加速するためのヒルラス基準をちょうど満たしている。
• 等分配推定では、日5から以降の観測でジェットエネルギーが20倍に増加しているように見えるが、これは逆コンプトン冷却によってシンクロtron放射が抑制されることに起因する可能性が高く、実際のエネルギー増加ではない。
• Kumar ら（2013）によるより正確なモデル化では、真のB×Rは数倍大きく推定され、ヒルラス条件を余裕をもって満たしていることが示された。
• スイフト J1644+57 の最小（等分配）ジェットエネルギーは 0.8×10^51 エルグであり、観測されたUHECRスペクトルを生成するのに必要なエネルギーと整合的である。
• 観測されたTDE発生率とエネルギー注入率は、観測されたUHECRフラックスおよび源密度制約と両立しており、TDEジェットがUHECRの主要な供給源である可能性を支持する。
• 内側ジェット領域は制約がやや弱いが、さまざまなモデルでB×R推定値は数×10^15 から 5×10^17 ガウス・cm の範囲にあり、内側ジェットでもUHECR加速の可能性が示唆される。