[논문 리뷰] Axion luminosity of Active Galactic Nuclei

Pankaj Jain, Subhayan Mandal|ArXiv.org|2009. 10. 16.

Dark Matter and Cosmic Phenomena참고 문헌 2인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 활성은하핵(AGN)으로부터의 아키온 및 페시스칼라 방출을 조사하며, 원추형 형성원에서 직접적인 아키온 생성은 무시할 만큼 작음을 발견한다. 그러나 자기장 혼합을 통한 광자-페시스칼라 전환이 AGN 대기에서 발생할 경우, 자외선/가시광선 영역에서 광자보다 높은 페시스칼라 방출 밀도를 유도할 수 있으며, 이는 활성은하핵의 광학적 편광 방향 일치 현상에 일관된 설명을 제공한다.

ABSTRACT

We compute the flux of axions from Active Galactic Nuclei (AGN). Axions can be produced in the accretion disk by the Compton, Bremsstrahlung and Primakoff processes. We find that the axion luminosity due to these processes is negligible in comparison to the photon luminosity from AGNs. We also compute the luminosity of a hypothetical pseudoscalar, with very small mass, from the AGN atmosphere due to the phenomenon of pseudoscalar-photon mixing in background magnetic field. In this case we find that for some parameter ranges, the pseudoscalar flux can exceed that of photons. We comment on the implications of this result on the observed large scale alignment of optical polarizations from AGNs.

연구 동기 및 목표

• AGN 원추형 형성원에서 Compton, 브레머스트라할링, Primakoff 과정을 통한 아키온 방출 빛의 세기를 평가하기 위해.
• AGN 자기장 내 페시스칼라-광자 혼합이 감지 가능한 페시스칼라 방출 밀도를 유도할 수 있는지 조사하기 위해.
• 유의미한 페시스칼라 방출 밀도가 활성은하핵의 관측된 대규모 광학적 편광 방향 일치 현상을 일관되게 설명할 수 있는지 평가하기 위해.
• 실제 천체물리적 조건, 즉 흡수 및 자기장 효과를 고려하여 페시스칼라와 광자 간의 상대적 밀도를 비교하기 위해.

제안 방법

• 아키온-전자 및 아키온-광자 결합 계수로 매개변수화된 Compton, 브레머스트라할링, Primakoff 방출 비율을 사용하여 원추형 형성원에서 아키온 방출 빛의 세기를 계산하였다.
• 자기장이 있는 플라즈마에서의 혼합 확률을 사용하여 배경 자기장 내 광자에서 페시스칼라로의 전환을 통한 페시스칼라 생성을 평가하였다.
• 반경 및 수직 방향의 밀도 및 온도 프로파일을 가진 얇은 디스크 모델을 사용하여 원추형 형성원의 구조에 걸쳐 방출 비율을 통합하였다.
• 흡수 효과(τ = 0.1)를 포함한 AGN 대기 내 광자 및 페시스칼라의 세기 변화를 모델링하였다.
• f_PQ ≥ 10^8 GeV인 DFSZ 아키온 모델을 사용하여 g_aee 및 g_aγγ 결합 계수를 제약 조건으로 설정하였다.
• 다양한 자기장 및 결합 계수 조건에 대해 주파수 함수로서의 페시스칼라 대 광자 세기 비율을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 AGN 원추형 형성원에서 Compton, 브레머스트라할링, Primakoff 과정을 통한 아키온 방출 빛의 세기는 얼마인가?
• RQ2 AGN 자기장 내 페시스칼라-광자 혼합이 광자보다 높은 감지 가능한 페시스칼라 방출 밀도를 유도할 수 있는가?
• RQ3 AGN에서의 높은 페시스칼라 방출 밀도가 활성은하핵의 관측된 대규모 광학적 편광 방향 일치 현상을 일관되게 설명할 수 있는가?
• RQ4 흡수 및 자기장 강도는 AGN 환경에서 페시스칼라와 광자 간의 상대적 세도에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• AGN 원추형 형성원에서 Compton, 브레머스트라할링, Primakoff 과정을 통한 아키온 방출 빛의 세기는 극히 미미하며, L_comp ≈ 9.7 × 10^29 erg/s로 일반적인 AGN 광자 방출 빛의 세기보다 훨씬 낮다.
• AGN 대기에서 광자에서 페시스칼라로의 전환으로 인한 페시스칼라 방출 밀도는 자외선/가시광선 영역에서 광자 방출 밀도를 초과할 수 있으며, 주파수 ω ≈ 5×10^16 ~ 10^17 Hz 범위에서 최대 3배까지 증가할 수 있다.
• 페시스칼라 질량이 0이고 g_φγγ = 10^-10 GeV^-1일 경우, 고주파 영역에서 페시스칼라 세기가 광자 세기보다 약 10배 높아진다.
• 페시스칼라 질량이 플라즈마 주파수와 일치하는 공진 혼합은 페시스칼라 방출 밀도를 더욱 증가시켜 감지 가능한 방출의 가능성을 높일 수 있다.
• RQ/O 활성은하핵(낮은 편광)과 BAL 활성은하핵(넓은 분포) 간의 관측된 편광 분포 차이는 BAL 활성은하핵에서 페시스칼라 대 광자 방출 비율이 더 높다는 것과 일관된다.
• 광자보다 페시스칼라의 방출 밀도가 우세할 경우, 바이로 강성 자기장 내 페시스칼라에서 광자로의 전환을 통해 대규모 편광 방향 일치 현상을 일관되게 설명할 수 있다.