[논문 리뷰] Relaxation of Blazar Induced Pair Beams in Cosmic Voids: Measurement of Magnetic Field in Voids and Thermal History of the IGM

Francesco Miniati, A. Elyiv|arXiv (Cornell University)|2012. 08. 08.

Astrophysics and Cosmic Phenomena인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 블라자르에서 발생하는 테바르드 레이저에서 발생하는 초고속 상대론적 전자-양전자 비드의 안정성을 은하간 매질의 우주 빈자리에서 조사한다. 몬테카를로 시뮬레이션과 운동이론을 사용하여, 비선형 랑도 감쇠와 밀도 비균일성이 플라즈마 파동 성장을 억제함으로써, 비드의 이완 시간스케일이 역컴프턴 손실 시간스케일보다 훨씬 길어지며, 이는 간섭성 매질의 열역학적 역사나 이 기구를 통한 자기장 측정에 거의 영향을 주지 않음을 시사한다.

ABSTRACT

The stability properties of a low density ultra relativistic pair beam produced in the intergalactic medium by multi-TeV gamma-ray photons from blazars are analyzed. The problem is relevant for probes of magnetic field in cosmic voids through gamma-ray observations. In addition, dissipation of such beams could affect considerably the thermal history of the intergalactic medium and structure formation. We use a Monte Carlo method to quantify the properties of the blazar induced electromagnetic shower, in particular the bulk Lorentz factor and the angular spread of the pair beam generated by the shower, as a function of distance from the blazar itself. We then use linear and nonlinear kinetic theory to study the stability of the pair beam against the growth of electrostatic plasma waves, employing the Monte Carlo results for our quantitative estimates. We find that the fastest growing mode, like any perturbation mode with even a very modest component perpendicular to the beam direction, cannot be described in the reactive regime. Due to the effect of non-linear Landau damping, which suppresses the growth of plasma oscillations, the beam relaxation timescale is found significantly longer than the inverse Compton loss time. Finally, density inhomogeneities associated with cosmic structure induce loss of resonance between the beam particles and plasma oscillations, strongly inhibiting their growth. We conclude that relativistic pair beams produced by blazars in the intergalactic medium are stable on timescales long compared to the electromagnetic cascade's. There appears to be little or no effect of pair-beams on the intergalactic medium.

연구 동기 및 목표

• 블라자르에서 발생하는 다이테바르드 레이저에 의해 간섭성 매질에서 생성된 상대론적 쌍비드의 안정성을 평가하기 위해.
• 이러한 비드가 감마선 관측을 통해 우주 빈자리의 자기장을 탐사하는 데 잠재적인 가능성을 평가하기 위해.
• 비드의 소멸이 간섭성 매질의 열역학적 역사나 구조 형성에 상당한 영향을 줄 수 있는지 조사하기 위해.
• 비선형 랑도 감쇠와 밀도 비균일성이 플라즈마 파동 성장을 억제하는 데서의 역할을 정량화하기 위해.
• 비드의 이완 시간스케일이 전자기 캐스케이드 시간스케일과 비교하여 어떻게 되는지 결정하기 위해.

제안 방법

• 테바르드 감마선에서 발생하는 전자기 쇼워의 발전을 시뮬레이션하기 위해 몬테카를로 방법을 사용하여, 생성된 쌍비드의 전체 러너츠 인자와 각도 분산을 추적한다.
• 선형 및 비선형 운동이론을 사용하여 상대론적 쌍비드 존재 하에서 전기적 플라즈마 파동의 성장을 모델링한다.
• 몬테카를로 결과를 비드 안정성과 파동 성장률의 정량적 추정치에 입력 자료로 활용한다.
• 비드 기준 프레임에서 비선형 랑도 감쇠가 플라즈마 진동의 억제에 미치는 영향을 분석한다.
• 우주의 구조에 기인한 밀도 비균일성이 비드 입자와 플라즈마 파동 간의 공명을 어떻게 방해하는지 평가한다.
• 비드의 이완 시간스케일을 역컴프턴 손실 시간스케일과 비교하여 비드의 수명과 잠재적 영향을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 블라자르 감마선에 의해 우주 빈자리에서 생성된 상대론적 쌍비드가 간섭성 매질의 열역학적 진화에 관련된 시간스케일 동안 안정성을 유지할 수 있는가?
• RQ2 비선형 랑도 감쇠는 비드 기준 프레임에서 전기적 플라즈마 파동 성장을 어느 정도 억제하는가?
• RQ3 간섭성 매질의 밀도 비균일성은 비드 입자와 플라즈마 진동 간의 공명에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 비드의 이완 시간스케일이 역컴프턴 손실 시간스케일보다 긴가, 이는 에너지 소산이 거의 없음을 시사하는가?
• RQ5 이러한 쌍비드가 감마선 관측을 통해 우주 빈자리의 자기장을 효과적으로 탐사하는 데 사용될 수 있는가?

주요 결과

• 가장 빠르게 성장하는 전기적 플라즈마 파동 모드는 상당한 수직 성분이 있기 때문에 반응 영역에서 기술될 수 없으며, 이로 인해 강한 비선형 효과가 발생한다.
• 비선형 랑도 감쇠는 플라즈마 파동 성장을 강력히 억제하여, 비드의 이완 시간스케일이 역컴프턴 손실 시간스케일보다 훨씬 길어진다.
• 우주의 구조에 기인한 밀도 비균일성은 비드 입자와 플라즈마 파동 간의 공명을 방해하여, 파동 성장을 추가로 억제한다.
• 비드는 전자기 쇼워 시간스케일보다 훨씬 긴 시간스케일 동안 안정성을 유지하며, 이는 거의 소산이 일어나지 않음을 시사한다.
• 결과적으로 이러한 쌍비드는 간섭성 매질의 열역학적 역사에 거의 또는 전혀 영향을 주지 않는다.
• 이 메커니즘은 이 비드 구동 과정을 통해 우주 빈자리의 자기장을 탐사하는 데 실현 가능한 길을 제공하지 않는다.