[논문 리뷰] "Flat" broad line region and gamma-ray absorption in blazars

F. Tavecchio, G. Ghisellini|arXiv (Cornell University)|2012. 09. 11.

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한 줄 요약

이 논문은 평탄한(디스크 형태의) 광선 영역(BLR) 기하학이 평탄한 스펙트럼의 라디오 퀘이사(FSRQ)에서 γγ → e⁺e⁻ 과정을 통한 γ선 투과도에 미치는 영향을 조사한다. CLOUDY로 시뮬레이션한 BLR 스펙트럼과 에너지 의존성 투과도 τ(E)를 모델링하여, 블랙홀 주변에서 BLR 내부에서 방출되는 경우, 심지어 디스크 형태의 BLR(α ≈ 25°)라도 수십 GeV 이상의 에너지에서 강한 흡수(τ > 1)를 일으킴을 발견하였다. 이는 VHE γ선 관측이 BLR 외부에서 방출된 경우에만 가능함을 시사하며, 기하학적 형태에 관계없이 성립한다.

ABSTRACT

We study the impact of the geometry of the broad line region (BLR) on the expected absorption, through the γγ ightarrow e^{\pm} process, of gamma rays produced in the relativistic jet of flat spectrum radio quasars (FSRQ). We consider "flat" (or "disky") BLR models, and use BLR spectra calculated with the photoionization code CLOUDY, already used to investigate the emission and the absorption of high-energy photons in FSRQ. We characterize the energy-dependent optical depth of the process, τ(E), for different accretion disk luminosities, aperture angles of the BLR (α, as measured from the equatorial plane), and initial injection eighths of the high-energy photons, $R_{ m o}$. We study in particular how the change of these parameters influences the spectral break at GeV energies, predicted if the emission occurs within the BLR. We found a well defined relation between the break energy and the post-break slope, both uniquely determined by α. We finally find that even a rather disk-like BLR (α\sim 25^\circ) corresponds to important absorption (τ>1) of photons above few tens of GeV produced within the BLR. We therefore conclude that the VHE emission detected from FSRQs occurs beyond the BLR.

연구 동기 및 목표

• 평탄한 BLR 기하학이 FSRQ에서 γ선 투과도에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 구형 모델과 비교해 디스크 형태의 BLR가 흡수를 줄이는지 여부를 결정하기 위해.
• BLR 기하학이 γ선 스펙트럼의 GeV 스펙트럼 브레이크 및 브레이크 이후 기울기에 어떻게 영향을 주는지 조사하기 위해.
• 평탄한 기하학 하에서 BLR 내부에서 발생하는 것으로 관측된 VHE γ선 방출이 어떻게 설명될 수 있는지 테스트하기 위해.
• FSRQ에서 γ선 방출 영역의 위치에 대한 함의를 탐색하기 위해.

제안 방법

• 다양한 순환 디스크 발광도와 BLR 개구각 α에 대해 CLOUDY 사진 이온화 코드를 사용해 BLR 스펙트럼 에너지 분포를 시뮬레이션한다.
• 상대론적 비틀림과 광자 운동역학을 고려해 γγ → e⁺e⁻ 과정에 대한 에너지 의존성 γ선 투과도 τ(E)를 계산한다.
• BLR 반경 RBLR에 대한 방출 위치 거리 Ro를 변화시켜 위치 의존성 흡수를 평가한다.
• 기하학적 영향을 탐색하기 위해, 브레이크 에너지와 브레이크 이후 스펙트럼 기울기 ΔΓ를 α와 Ro의 함수로 분석한다.
• 기하학적 영향을 분리하기 위해, 구형(α = 90°)과 평탄한(α = 60°, 30°) 기하학을 비교한다.
• 스펙트럼 기능을 유도하는 진단 도구로 HeII 선 임계값(약 10–20 GeV)을 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 평탄한 BLR 기하학은 FSRQ에서 γ선 투과도 τ(E)에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 디스크 형태의 BLR(α ≈ 25°)가 BLR 내부에서 방출되는 경우, 충분히 감소된 γ선 흡수로 VHE 방출이 가능해질 수 있는가?
• RQ3 GeV 스펙트럼의 브레이크 에너지와 BLR 개구각 α 사이의 관계는 무엇인가?
• RQ4 브레이크 이후 스펙트럼 기울기 ΔΓ는 α와 방출 위치 거리 Ro에 어떻게 의존하는가?
• RQ5 관측된 FSRQ의 VHE γ선 방출은 평탄한 기하학 조건 하에서도 BLR 외부에 위치한 방출 영역이 필요한가?

주요 결과

• BLR 내부에서 방출되는 경우, 개구각 α ≈ 25°인 디스크 형태의 BLR라도 수십 GeV 이상의 에너지에서 강한 γ선 흡수(τ > 1)를 일으킴을 발견하였다.
• γ선 스펙트럼의 브레이크 에너지는 BLR 개구각 α에 따라 달라지며, 낮은 α일수록 머리 마주침 확률 감소로 인해 브레이크 에너지가 이동함을 보였다.
• 브레이크 에너지와 브레이크 이후 스펙트럼 기울기 ΔΓ 사이에 명확한 관계가 존재하며, 이는 모두 α에 의해 유일하게 결정됨을 확인하였다.
• Ro < RBLR인 경우, 모든 고려된 기하학과 발광도에서 E > 50 GeV에서 τ > 1이 되어 강한 투과도를 나타냄을 확인하였다.
• Ro ≳ RBLR(방출 영역이 BLR 외부에 있는 경우)에서만 τ가 1 이하로 내려가며, 이는 FSRQ에서 VHE γ선이 관측된 것과 일치함을 확인하였다.
• 결과적으로, FSRQ에서 VHE γ선 방출은 가장 유리한 평탄한 기하학 조건 하에서도 BLR 외부에서 기인해야 함을 시사한다.