[논문 리뷰] Particle acceleration and synchrotron emission in blazar jets

J. G. Kirk, Frank Rieger외 1명|arXiv (Cornell University)|1998. 01. 27.

Astrophysics and Cosmic Phenomena인용 수 60

한 줄 요약

이 논문은 상대론적 블라자르 제트의 충격면에서 전자의 가속을 모델링하며, 균일한 자기장이 존재하는 하류 영역에서의 싱크로트론 복사를 계산한다. 전자 가속 시간이 냉각 시간에 비해 짧을 경우, 밝기 상승 기간 동안 스펙트럼 경화 현상과 감소 기간 동안의 스펙트럼 연화 현상이 발생하며, 이는 PKS 2155–304와 Mkn 421에서 관측된 바와 일치한다. 이는 특정 조건 하에서 균일한 싱크로트론 모델이 타당하다는 것을 입증한다.

ABSTRACT

We model the acceleration of electrons at a shock front in a relativistic blazar jet and compute the radiation they emit in a post-shock region which contains a homogeneous magnetic field. The full space, time and momentum dependence of the electron distribution is used in this calculation. It is shown that the "homogeneous" synchrotron model is recovered, provided the downstream speed of the plasma away from the shock front is nonrelativistic, and provided that the light travel times across the face of the shock front is unimportant. By varying the rate at which particles are picked up by the acceleration process, we calculate the time-dependence of the spectra. Since the magnetic field strength is assumed constant within the emission region, each frequency band can be identified with electrons of a particular energy. We find that for a band in which the electrons are accelerated rapidly compared to the rate at which they cool, the spectra typically harden during phases of rising flux, and soften during phases of falling flux, as has been observed in the objects PKS 2155-304 and Mkn 421. However, in a frequency band in which the timescales are comparable, the reverse behaviour is to be expected. We discuss the extent to which observations of both the stationary spectrum and the spectral variability of the synchrotron component of blazar emission can be used to constrain the model.

연구 동기 및 목표

• 관측된 블라자르의 싱크로트론 스펙트럼과 변동성을 균일한 자기장 모델이 재현할 수 있는지 조사하기 위해.
• 특히 빛의 전파 시간 효과와 플라즈마 유속과 관련된 조건에서 균일한 모델이 유효한 조건를 규명하기 위해.
• 시간에 따라 변하는 입자 가속과 싱크로트론 냉각이 관측된 스펙트럼 변동성에 어떻게 영향을 주는지 탐구하기 위해.
• 입자 탈출과 자기장 비균일성이 전자 에너지 분포와 그로 인한 복사에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 내재된 변동 패tern을 관측 가능한 스펙트럼 진화와 연결지어, 특히 Mkn 501과 PKS 2155–304와 같은 소스에서의 특성과 연관지기 위해.

제안 방법

• 충격면 하류에서 입자 분포 함수의 전체 운동방정식을 시간, 위치, 에너지의 단위 공간에서 푸는 방식.
• 복사 영역에서 균일한 자기장을 가정하고, 유한한 거리 이후 자기장 강도가 급격히 감소함으로써 입자 탈출을 모델링.
• 전체 시간-, 공간-, 에너지 의존적인 입자 분포 함수를 사용하여 싱크로트론 복사를 계산.
• 입자 집단을 경험적으로 분리: 동시에 가속과 냉각을 겪는 입자와 냉각만을 겪는 입자.
• 하류 플라즈마 속도 $u_s = c/10$를 가진 상대론적 제트 기준 프레임을 사용하여 도플러 보정과 빛 전파 시간 효과를 모델링.
• 상대론적 비스듬함과 시간 지연 보정을 적용하여 내재된 변동성을 관측된 광선 곡선과 연결함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 균일한 싱크로트론 모델이 관측된 블라자르 스펙트럼과 변동성을 정확히 재현할 수 있는 조건는 무엇인가요?
• RQ2 입자 가속 시간 상대적으로 싱크로트론 냉각 시간에 비해 짧을 경우, 밝기 변화 기간 동안 스펙트럼 경화 또는 연화 현상은 어떻게 영향을 받는가?
• RQ3 복사 영역 내에서 빛의 전파 시간 지연이 내재된 변동성을 얼마나 부드럽게 만드는가?
• RQ4 Mkn 501에서 관측된 스펙트럼 절단은 균일한 모델로 설명될 수 있는가, 아니면 비균일성이 필요한가?
• RQ5 원천의 기하학적 구조와 방향성이 관측된 변동 패턴에 미치는 영향은 무엇이며, 특히 상대론적 비스듬함을 가진 제트에서 어떻게 나타나는가?

주요 결과

• 하류 플라즈마 유동이 비상대론적이며 충격면을 가로지르는 빛 전파 시간이 무시할 만큼 짧을 경우, 균일한 싱크로트론 모델이 회복된다.
• 가속 시간 상대적으로 냉각 시간보다 훨씬 짧은 주파수 대역에서는 밝기 상승 시 스펙트럼이 경화되고 감소 시 연화되는 현상이 나타나며, 이는 PKS 2155–304와 Mkn 421에서 관측된 바와 일치한다.
• 가속과 냉각 시간 상수가 유사한 경우, 반대 방향의 스펙트럼 행동이 예상된다: 밝기 상승 시 연화, 감소 시 경화.
• Mkn 501에서 관측된 날카로운 스펙트럼 전환은 전자 분포의 급격한 절단을 가진 균일한 모델로 잘 재현되며, 이는 복사 영역 내에서의 비균일성이 최소한임을 시사한다.
• Mkn 421와 SNR 1006와 같은 다른 소스에서 관측된 넓은 스펙트럼 전환은 내재된 가속 메커니즘의 특성보다는 비균일성이 더 잘 설명한다.
• Mkn 501의 경우 최대 냉각 시간 상대적으로 피크 주파수에서의 싱크로트론 냉각 시간의 약 700배이며, 이는 빛 전파 시간에 의한 부드러움 효과가 지배하는 임계 주파수 이상에서 발생함을 의미한다.