[논문 리뷰] High-Energy Neutrino and Gamma-Ray Emission from Tidal Disruption Events and Implications for AT2019dsg

Kohta Murase, Shigeo S. Kimura외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 05. 18.

Astrophysics and Cosmic Phenomena인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 초거대 블랙홀 주변의 뜨거운 코로나, 복사적으로 비효율적인 순환유동(RIAFs), 부분 상대론적 바람 및 tidal stream 상호작용에서 발생하는 입자 가속화를 통해 TDE에서 고에너지 중성미자 및 감마선 방출을 위한 비제트 기반 메커니즘을 제안한다. 분석 결과, 코로나 및 숨겨진 바람 모델은 IceCube-191001A 중성미자 사건을 설명할 수 있으나, 제트 모델은 다중 메신저 데이터를 설명하기에는 부적합하다고 판단된다.

ABSTRACT

Tidal disruption events (TDE) have been considered as cosmic-ray and neutrino sources for a decade. We suggest two classes of new scenarios for high-energy multi-messenger emission from TDEs that do not have to harbor powerful jets. First, we investigate high-energy neutrino and gamma-ray production in the core region of a supermassive black hole. In particular, we show that about 1-100 TeV neutrinos and MeV gamma-rays can efficiently be produced in hot coronae around an accretion disk. We also study the consequences of particle acceleration in radiatively inefficient accretion flows (RIAFs). Second, we consider possible cosmic-ray acceleration by sub-relativistic disk-driven winds or interactions between tidal streams, and show that subsequent hadronuclear and photohadronic interactions inside the TDE debris lead to GeV-PeV neutrinos and sub-GeV cascade gamma-rays. We demonstrate that these models should be accompanied by soft gamma-rays or hard X-rays as well as optical/UV emission, which can be used for future observational tests. Although this work aims to present models of non-jetted high-energy emission, we discuss the implications of the TDE AT2019dsg that might coincide with the high-energy neutrino IceCube-191001A, by considering the corona, RIAF, hidden sub-relativistic wind, and hidden jet models. It is not yet possible to be conclusive about their physical association and the expected number of neutrinos is typically much less than unity. We find that the most optimistic cases of the corona and hidden wind models could be consistent with the observation of IceCube-191001A, whereas jet models are unlikely to explain the multi-messenger observations.

연구 동기 및 목표

• 강력한 제트가 필요하지 않은 TDE에서 고에너지 다중 메신저 방출을 탐색하기 위해.
• 초거대 블랙홀 주변의 뜨거운 코로나 및 RIAFs에서 입자 가속화 및 이어지는 핵반응 상호작용을 조사하기 위해.
• 부분 상대론적 디스크 유도 바람 및 타이드 스트림 상호작용에서 우주선 가속화가 고에너지 중성미자 공급원이 될 수 있는지 검토하기 위해.
• 부드러운 감마선, 딱딱한 X선, 광학/자외선 방출을 포함한 다중 메신저 서명을 테스트하기 위해 모델 예측을 관측 데이터와 비교하기 위해.
• 비제트 방출 모델을 활용하여 AT2019dsg가 IceCube-191001A 중성미자 사건과 물리적으로 연관되어 있는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 고에너지 중성미자 및 감마선 방출을 모델링하기 위해, 타원형 디스크 주변의 뜨거운 코로나에서 발생하는 핵반응 및 광핵반응 상호작용을 고려함.
• 복사적으로 비효율적인 순환유동(RIAFs)에서의 입자 가속화 및 그로 인한 고에너지 방출을 분석함.
• 부분 상대론적 디스크 유도 바람 및 타이드 스트림 상호작용에서의 탄성입자 가속화를 시뮬레이션한 후, 핵반응 상호작용을 고려함.
• 이러한 과정에서 발생하는 중성미자 및 감마선 스펙트럼을 계산함. 코로나에서 발생하는 MeV 감마선과 핵반응 상호작용에 의한 sub-GeV 캐스케이드 감마선 포함.
• AT2019dsg의 관측 데이터와 비교하여 예측된 다중 메신저 서명(예: 부드러운 감마선, 딱딱한 X선, 광학/자외선 방출)을 분석함.
• IceCube-191001A와의 일치성을 평가하기 위해 코로나, RIAF, 숨겨진 바람, 숨겨진 제트 모델의 기대 중성미자 유량을 평가함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 강력한 상대론적 제트가 없이도 TDE에서 고에너지 중성미자 및 감마선이 생성될 수 있는가?
• RQ2 비제트 TDE 방출 모델에서 예상되는 다중 메신저 서명(예: 부드러운 감마선, 딱딱한 X선, 광학/자외선 방출)은 무엇인가?
• RQ3 코로나 및 RIAF 모델에서 예측된 중성미자 유량은 관측된 IceCube-191001A 사건과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 부분 상대론적 바람 또는 타이드 스트림 상호작용이 핵반응 상호작용를 통해 GeV–PeV 범위의 중성미자를 생성할 수 있는가?
• RQ5 TDE AT2019dsg는 IceCube-191001A 중성미자 사건과 물리적으로 연관되어 있으며, 어떤 비제트 모델이 데이터를 가장 잘 설명하는가?

주요 결과

• TDE에서 타원형 디스크 주변의 뜨거운 코로나에서는 1–100 TeV 범위의 고에너지 중성미자와 MeV 감마선이 효율적으로 생성될 수 있음.
• 복사적으로 비효율적인 순환유동(RIAFs)도 입자 가속화 및 핵반응 상호작용를 통해 고에너지 중성미자 및 감마선을 공급원으로 삼을 수 있음.
• 부분 상대론적 디스크 유도 바람 및 타이드 스트림 상호작용은 핵반응 및 광핵반응 과정를 통해 GeV–PeV 범위의 중성미자와 sub-GeV 캐스케이드 감마선을 생성할 수 있음.
• 코로나 및 숨겨진 바람 모델은 중성미자 유량에 대해 가장 낙관적인 예측을 하며, IceCube-191001A 관측 결과와 일치함. 다만 기대되는 중성미자 수는 일반적으로 1 미만임.
• 스펙트럼 및 시간적 서명이 불일치하므로 제트 모델은 다중 메신저 관측 결과를 설명하기 어려움.
• 모델들은 연계된 부드러운 감마선 또는 딱딱한 X선 및 광학/자외선 방출을 예측하여, 향후 관측을 위한 검증 가능한 다중 메신저 서명을 제공함.