[논문 리뷰] Particle acceleration and the origin of the very high energy emission around black holes and relativistic jets

E. M. de Gouveia Dal Pino, G. Kowal외 4명|arXiv (Cornell University)|2018. 09. 17.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 26인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 블랙홀 주변 자기장이 우세한 플라즈마와 상대론적 제트에서 난류 자기 재결합이 매우 높은 에너지(최대 페타전자볼트, PeV)로 입자를 효율적으로 가속화할 수 있으며, 이는 활성은하핵(AGNs)과 블랙홀 시스템에서 관측된 매우 높은 에너지(VHE) 감마선 및 뉴트리노 방출의 기원을 설명한다. 시뮬레이션 결과, 코로나 및 제트 영역에서의 재결합은 등급수 분포 입자 스펙트럼과 급격하고 지수적인 에너지 증가를 유도하며, 블라자르에서 비블라자르 LLAGNs, 블랙홀 이원성까지 다양한 천체에서 관측된 VHE 빛의 세기와 블랙홀 질량 간 상관관계를 잘 재현한다.

ABSTRACT

Particle acceleration induced by fast magnetic reconnection may help to solve current puzzles related to the interpretation of the very high energy (VHE) and neutrino missions from AGNs and compact sources in general. Our general relativistic-MHD simulations of accretion disk-corona systems reveal the growth of turbulence driven by MHD instabilities that lead to the development of fast magnetic reconnection in the corona. In addition, our simulations of relativistic MHD jets reveal the formation of several sites of fast reconnection induced by current-driven kink turbulence. The injection of thousands of test particles in these regions cause acceleration up to energies of several PeVs, thus demonstrating the ability of this process to accelerate particles and produce VHE and neutrino emission, specially in blazars. Finally, we discuss how reconnection can also explain the observed VHE luminosity-black hole mass correlation, involving hundreds of non-blazar sources like Perseus A, and black hole binaries.

연구 동기 및 목표

• 활성은하핵(AGNs)과 밀집 천체에서 매우 높은 에너지(VHE) 감마선 및 뉴트리노 방출의 기원을 설명하기 위해.
• 난류 자기 재결합이 10개 온도수준에 걸쳐 다양한 천체 유형에서 관측된 VHE 빛의 세기와 블랙홀 질량 간 상관관계를 설명할 수 있는지 조사하기 위해.
• 자기장이 우세한 영역에서 재결합을 통한 입자 가속화가 필요한 간섭우주선 에너지와 복사 스펙트럼을 생성할 수 있는지 판단하기 위해.
• 블라자르 제트와 비블라자르 AGN 핵에서 자기 재결합이 입자 가속화의 주요 메커니즘으로서 실현 가능한지 테스트하기 위해.
• 재결합이 전자-양전자 쌍 생성에 의해 완전히 흡수되지 않는 관측 가능한 테바 감마선과 뉴트리노를 생성하는 데서의 역할을 평가하기 위해.

제안 방법

• 적응원판-코로나 시스템과 상대론적 포인팅-플럭스 우세한 제트를 대상으로 3차원 일반상대론적 자기유체역학(GR-MHD) 시뮬레이션을 수행하였다.
• 나선형 자기장과 진동 불안정성으로 유도되는 전류-기반 낙폭(CDK) 불안정성을 유도하기 위해 자기장이 우세하고 회전하는 제트를 시뮬레이션하였다.
• 고해상도 MHD 시뮬레이션을 통해 난류 전류 시트와 빠른 자기 재결합 영역의 형성을 추적하였으며, 재결합 속도는 지역 알베드 속도의 약 0.05–0.1 수준에 도달하였다.
• 테스트 입자를 재결합 영역에 주입하여 페르미 메커니즘 가속을 모의하고 에너지 증가 및 스펙트럼 진화를 추적하였다.
• 분석 모델을 사용하여 재결합의 에너지 출력을 추정하고, 블랙홀 이원성 및 LLAGNs에서 관측된 감마선 빛의 세기와 비교하였다.
• 재결합으로 가속된 간섭우주선을 사용하여 BHBs와 LLAGNs(예: 페르세우스 A)의 스펙트럼 에너지 분포(SED)를 평가하여, pp 및 pγ 상호작용을 통한 테바 감마선 방출을 재현하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 블랙홀 시스템의 코로나와 제트에서 난류 자기 재결합이 페타전자볼트(PeV) 수준의 에너지까지 입자 가속화를 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 재결합에 의해 유도되는 가속 메커니즘이 블라자르와 비블라자르 AGNs에서 관측된 VHE 감마선 및 뉴트리노 방출을 재현할 수 있는가?
• RQ3 AGN 핵과 블랙홀 이원성에서의 재결합 에너지가 10개 온도수준에 걸쳐 관측된 감마선 빛의 세기와 블랙홀 질량 간 상관관계를 설명할 수 있는가?
• RQ4 페르세우스 A 및 블랙홀 이원성과 같은 천체에서의 테바 감마선 방출이 전자-양전자 쌍 생성에 의해 완전히 흡수되지 않는 재결합으로 가속된 간섭우주선에 의해 일어나는가?
• RQ5 난무가 자기장이 우세한 플라즈마에서 빠른 재결합과 효율적인 입자 가속화를 가능하게 하는 역할은 무엇인가?

주요 결과

• 상대론적 제트 내 난류 전류 시트에서의 빠른 자기 재결합은 지역 알베드 속도의 약 0.05–0.1 수준의 재결합 속도를 달성하며, 빠른 입자 가속화를 가능하게 한다.
• 재결합 영역에 주입된 테스트 입자는 지수적 에너지 증가를 겪으며, AGN 제트에서 하위파섹 거리 내에 약 10^19 eV(10 PeV) 수준의 에너지에 도달한다.
• 시뮬레이션된 입자 에너지 스펙트럼은 관측된 VHE 천체와 일치하는 지수 분포를 따르며, 지수는 −1에서 −2 사이이다.
• 블랙홀 시스템의 핵 영역에서의 재결합 에너지는 비블라자르 LLAGNs와 블랙홀 이원성에서 관측된 감마선 빛의 세기와 블랙홀 질량 간 상관관계를 잘 재현한다.
• AGN 핵에서 재결합으로 가속된 간섭우주선은 pp 및 pγ 상호작용을 통해 테바 감마선을 방출할 수 있으며, 쌍 생성에 의해 완전히 흡수되지 않음을 페르세우스 A와 BHBs의 SED 모델링으로 확인하였다.
• 동일한 메커니즘은 고에너지 뉴트리노도 자연스럽게 생성하며, 아이스컵이 관측한 간섭우주적 확산 뉴트리노 플럭스에 대한 타당한 설명을 제공한다.