[論文レビュー] VHE Emission from Magnetic Reconnection in the RIAF of SgrA*

J. C. Rodrı́guez-Ramı́rez, E. M. de Gouveia Dal Pino+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 11, 2019

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 9被引用数 8

ひとこと要約

この論文は、SgrA*の放射効率が低い降着流（RIAF）における乱流的磁気再結合によって加速された宇宙線（CRs）による超高エネルギー（VHE）ガンマ線放射を調査している。一般相対論的磁気流体力学（GRMHD）シミュレーションとCRPropa 3モンテカルロシミュレーションを用い、降着率が10⁻⁷ M⊙ yr⁻¹以上の場合、VHE放射の強度はH.E.S.S.の上限と整合的であり、将来的なチェレンコフ望遠鏡アレイ（CTA）で検出可能である可能性がある。一方、ニュートリノ放射はIceCubeが測定した拡散ニュートリノ放射に比べて無視できるほど小さい。

ABSTRACT

The cosmic-ray (CR) accelerator at the galactic centre (GC) is not yet established by current observations. Here we investigate the radiative-inefficient accretion flow (RIAF) of Sagittarius A* (SgrA*) as a CR accelerator assuming acceleration by turbulent magnetic reconnection, and derive possible emission fluxes of CRs interacting within the RIAF (the central $\sim10^{13}$cm). The target environment of the RIAF is modelled with numerical, general relativistic magneto-hydrodynamics (GRMHD) together with leptonic radiative transfer simulations. The acceleration of the CRs is not computed here. Instead, we inject CRs constrained by the magnetic reconnection power of the accretion flow and compute the emission/absorption of $γ$-rays due to these CRs interacting with the RIAF, through Monte Carlo simulations employing the { t CRPropa 3} code. The resulting very-high-energy (VHE) fluxes are not expected to reproduce the point source HESS J1745-290 as the emission of this source is most likely produced at pc scales. The emission profiles derived here intend to trace the VHE signatures of the RIAF as a CR accelerator and provide predictions for observations of the GC with improved angular resolution and differential flux sensitivity as those of the forthcoming Cherenkov Telescope Array (CTA). Within the scenario presented here, we find that for mass accretion rates $\gtrsim 10^{-7}$M$_\odot$yr$^{-1}$, the RIAF of SgrA* produces VHE fluxes which are consistent with the H.E.S.S. upper limits for the GC and potentially observable by the future CTA. The associated neutrino fluxes are negligible compared with the diffuse neutrino emission measured by the IceCube.

研究の動機と目的

• SgrA*のRIAFを、乱流的磁気再結合による宇宙線加速源として探求すること。
• 現実的なGRMHDおよび放射線輸送シミュレーションを用いて、RIAF内でのCR相互作用に起因するVHEガンマ線放射をモデル化すること。
• 将来的なCTAのような機器で解像可能な、RIAFからの観測可能なVHE放射の強度を予測すること。
• SgrA*のRIAFからのVHE放射が、HESS J1745-290点源を説明できるか、またはそれとは区別可能かを評価すること。

提案手法

• HARMおよびGRM-Montyコードを用いて、一般相対論的磁気流体力学（GRMHD）によるRIAF環境をシミュレートする。
• RIAF内の背景光子、磁場および密度場をモデル化するため、レプトン的放射輸送シミュレーションを実施する。
• RIAF環境にCRを注入する際、磁気再結合による加速を仮定し、RIAFの再結合率によって制限されたパワーを用いる。
• エネルギー依存性を持つ注入および伝搬を考慮したモンテカルロシミュレーションを用いて、p-p相互作用によるVHEガンマ線生成を計算する。
• 統計的正規化（式A5）を用いて、シミュレートされたCRを物理的注入率にスケーリングし、物理的放射強度を推定する。
• 一般相対論的曲率効果を無視した平坦時空シミュレーションの影響を評価するため、VHE光子の径方向起源を計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SgrA*のRIAFは、CR相互作用によって現在のH.E.S.S.の上限と整合するVHEガンマ線放射を生成できるか？
• RQ2 磁気再結合によって加速されたCRのRIAFからの期待されるVHE放射の特徴は何か？また、CTAによって検出可能か？
• RQ3 RIAF内でのVHE光子生成の径方向分布は、一般相対論的効果が観測スペクトルエネルギー分布（SED）に顕著に影響を与えるか？
• RQ4 RIAF内でのバリオン的相互作用に起因する二次レプトンが、観測された静穏状態のX線放射と矛盾するような検出可能なX線放射を生成するか？
• RQ5 予測されたVHE放射強度は、銀河中心で観測された拡散および点源的VHE放射とどのように比較されるか？

主な発見

• 質量降着率が10⁻⁷ M⊙ yr⁻¹以上の場合、SgrA*のRIAFは銀河中心のH.E.S.S.上限と整合するVHEガンマ線放射を生成する。
• 予測されたVHE放射強度は、CTAによる検出が可能であり、特にその高い角度分解能および微分放射感度により顕著に向上する。
• RIAFからの放射プロファイルは10 TeV以上でピークを示し、シミュレーションフレームワークで一般相対論的曲率効果を無視しても最小限の誤差が生じる。
• 10〜100 TeVのエネルギー範囲において、VHE光子の生成の径方向起源は40 Rg以内で最も一様に分布しており、このエネルギー範囃の放射はGR補正にあまり依存しないことが示唆される。
• RIAFからのニュートリノ放射は、IceCubeが測定した拡散ニュートリノ放射に比べて無視できるほど小さいため、高エネルギーニュートリノの主要な供給源としてこのメカニズムが成立しない。
• HESS J1745-290の放射はRIAF由来である可能性が低く、変動の欠如およびX線制約が数個の重力半径内でのバリオン的相互作用を不適切なものとしている。