[논문 리뷰] Particle acceleration and magnetic field amplification in hotspots of FR II galaxies: The case study 4C74.26

Anabella Araudo, A. R. Bell외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 02. 25.

Astronomy and Astrophysical Research인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 FR II 방사선 은하 4C74.26의 남부 핫스팟에서의 전파에서 X선 방출을 모델링하며, 플라즈마 불안정성에 의해 강화된 고도로 구조화된 미세 스케일 자기장에서의 확산 충격 가속을 통해 입자 가속이 발생한다고 제안한다. 충격파 뒤에서의 싱크로트론 전파 방출의 급격한 감쇠는 빠른 자기장 감쇠로 인해 발생하며, 이는 상대론적 충격파가 입자를 초고에너지로 가속시킬 수 없음을 시사한다. 이로 인해 최대 양성자 에너지는 약 100 TeV로 제한되며, 힐라스 기준에서 예측하는 100 EeV보다 훨씬 낮다.

ABSTRACT

It has been suggested that relativistic shocks in extragalactic sources may accelerate the most energetic cosmic rays. However, recent theoretical advances indicating that relativistic shocks are probably unable to accelerate particles to energies much larger than a PeV cast doubt on this. In the present contribution we model the radio to X-ray emission in the southern hotspot of the quasar 4C74.26. The synchrotron radio emission is resolved near the shock with the MERLIN radio-interferometer, and the rapid decay of this emission behind the shock is interpreted as the decay of the downstream magnetic field as expected for small scale turbulence. If our result is confirmed by analyses of other radiogalaxies, it provides firm observational evidence that relativistic shocks at the termination region of powerful jets in FR II radiogalaxies do not accelerate ultra high energy cosmic rays.

연구 동기 및 목표

• 4C74.26의 남부 핫스팟에서 관측된 밀도가 높고 얇은 전파 방출을 설명하기 위해 표준 싱크로트론 냉각 모델로는 설명할 수 없는 이유를 밝히는 것.
• 싱크로트론 자기복사와는 일치하지 않지만, CMB 광자에 대한 역광자성 산란과 일치하는 X선 방출의 기원을 조사하는 것.
• 관측된 전파에서 X선 스펙트럼을 확산 충격 가속 모델과 일치시키기 위해 필요한 자기장 구조와 입자 확산 성질을 규명하는 것.
• 특히 1 PeV 이상의 에너지를 넘는 초고에너지 입자를 FR II 핫스팟의 상대론적 충격파가 가속시킬 수 있는지 평가하는 것.
• 웨이블 기 instability가 효율적인 입자 가속을 가능하게 하는 소규모 자기장 난류를 생성하고 유지할 수 있는지 검증하는 것.

제안 방법

• CMB 광자를 IC 산란의 시드 필드로 가정하여, 싱크로트론 + 역광자성 산란(IC) 방출 프레임워크를 사용해 전파에서 X선까지의 스펙트럼 에너지 분포를 모델링하는 것.
• turbulent 자기장에서의 비보함 운동을 고려해 수정된 확산 계수 $ D $ 를 적용한 확산 충격 가속(DSA) 형식을 적용하는 것.
• 관측된 전자 에너지 截止를 설명하기 위해 필요한 자기장 비균일성 척도 $ s $ 를 유도하기 위해 조건 $ D \rightarrow D_{\text{Bohm}} \times (r_g / s) $ 를 적용하는 것.
• 충격파 후류에서의 난류 자기장 감쇠를 추론하기 위해 관측된 전파 방출 감쇠 프로파일을 기반으로 필요한 자기장 감쇠 시간스케일을 유도하는 것.
• 싱크로트론 냉각 시간스케일에서 유도된 전자 에너지 截止 $ E_{\text{c}} \sim \text{TeV} $ 를 계산하고, 이를 IC X선 빛의 세기와 비교하여 전자 분포를 제약하는 것.
• 유사한 확산 및 자기장 제약 조건을 적용하여 동일한 가속 시간스케일을 사용해 최대 양성자 에너지를 평가하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 4C74.26의 남부 핫스팟에서 전파 방출은 매우 좁고 밀도가 높은가? 그리고 왜 충격파 뒤에서 급격히 감쇠되는가?
• RQ2 관측된 전파 방출 프로파일과 전자 에너지 截止를 생성하기 위해 필요한 자기장 구조와 난류 척도는 무엇인가?
• RQ3 X선 방출은 CMB 광자에 대한 역광자성 산란으로 설명될 수 있는가? 이는 전자 에너지 분포에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ4 관측된 방출 및 유추된 확산 및 자기장 성질을 고려할 때, 이 충격 환경에서 입자가 가속될 수 있는 최대 에너지는 얼마인가?
• RQ5 관측된 방출 프로파일은 FR II 핫스팟이 초고에너지 우주선의 기원일 수 있다는 가능성을 배제하는가?

주요 결과

• 4C74.26의 남부 핫스팟에서 관측된 밀도가 높고 좁은 전파 방출(FWHM <1″)은 빠른 싱크로트론 냉각으로는 설명할 수 없으며, 빠른 자기장 감쇠와 같은 다른 메커니즘이 필요하다.
• 평탄한 전파-적외선 스펙트럼(α = 0.75)과 가시광선 영역에서의 스펙트럼 전환점은 확산 계수 $ D \gg D_{\text{Bohm}} $ 가 필요함을 나타내며, 이는 소규모 스케일에서의 강한 산란을 의미한다.
• 필요한 자기장 비균일성 척도는 $ s \sim 2 \times 10^7 \, \text{cm} $ 로, 이는 이온 피치 두께 $ c/\omega_{\text{pi}} \sim 2.3 \times 10^9 \, \text{cm} $ 보다 훨씬 작으며, 난류가 이온 스케일 이하임을 시사한다.
• 자기장은 충격파 후류에서 급격히 감쇠되어야 하며, 이 감쇠 시간스케일은 관측된 전파 방출 감쇠와 일치하여 일시적인 강화 메커니즘을 지지한다.
• 최대 전자 에너지는 약 $ \sim \text{TeV} $ 로 제한되며, 이는 CMB 광자에 대한 역광자성 산란을 통한 관측된 X선 빛의 세기와 일치한다.
• 양성자 가속 역시 유사하게 제한되며, 최대 양성자 에너지는 약 $ \sim 100 \, \text{TeV} $ 로 제한되며, 초고에너지 우주선에 필요한 100 EeV보다 훨씬 낮다. 이는 FR II 핫스팟이 이러한 입자들의 기원일 수 있다는 이론에 도전한다.