[논문 리뷰] The jet-disk symbiosis. I. Radio to X-ray emission models for quasars

H. Falcke, Peter L. Biermann|arXiv (Cornell University)|1994. 11. 23.

Astrophysics and Cosmic Phenomena인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 질량과 에너지 보존을 통해 제트 기여도를 순환적 디스크 빛나는 정도에 연결함으로써, 활성은하핵의 전파에서 X선 영역에 이르는 복사 메커니즘을 통합적으로 설명하는 제트-디스크 공생 모델을 제안한다. 이는 Blandford & Königl 모델을 확장한 것으로, 고효율 전파 강한 활성은하핵에서 '최대 제트'가 전체 등분할 조건을 만족해야 하며, 이는 최소 전자 루프팩터 ≥100 또는 쌍생성과 일치하며, 관측된 스펙트럼 에너지 분포와 제트 에너지 수준을 잘 설명한다.

ABSTRACT

Starting from the assumption that radio jets and accretion disks are symbiotic features present in radio loud and radio quiet quasars we scale the bulk power of radio jets with the accretion power by adding mass- and energy conservation of the whole jet-disk system to the standard Blandford \& Königl theory for compact radio cores. The model depends on only few parameters and can be constrained by observations. Thus we are able to show that radio and X-ray fluxes (SSC emission) of cores and lobes and typical dimensions of radio loud quasars are consistent with a jet being produced in the central engine. We present a synthetic broadband spectrum from radio to X-ray for a jet-disk system. The only way to explain the high efficiency of radio loud objects is to postulate that these objects consist of `maximal jets' with `total equipartition' where the magnetic energy flow of the jet is comparable to the kinetic jet power and the total jet power is a large fraction of the disk power. As the number of electrons is limited by the accretion flow, this is only possible when the minimum Lorentz factor of the electron distribution is $γ_{ m e,min}\ga100$ ($E\ga 50 { m MeV}$) or/and a large number of pairs are present. Such an electron/positron population would be a necessary consequence of hadronic interactions and may lead to some interesting effects in the low frequency self-absorbed spectrum. Emission from radio weak quasars can be explained with an initially identical jet. The difference between radio loud and radio weak could be due to a different efficiency in accelerating relativistic electrons on the sub-parsec scale. Finally we demonstrate that in order to appease the ravenous hunger of radio loud jets its production must be somehow linked to the dissipation process in the inner part of the disk.

연구 동기 및 목표

• 제트-디스크 시스템을 상호의존적인 존재로 모델링하여 전파 강한 및 전파 약한 활성은하핵의 복사 메커니즘을 통합하는 것.
• 자기 일관된 제트-디스크 에너지 예산을 통해 활성은하핵의 높은 전파 및 X선 광도를 설명하는 것.
• 관측과 일치하는 조건에서 제트 기여도가 디스크 광도의 상당한 비율에 도달할 수 있는 조건을 규명하는 것.
• 전자 에너지 분포와 쌍생성의 역할이 고효율 제트를 가능하게 하는 방식을 조사하는 것.
• 전자 가속 효율성 측면에서 전파 강한 및 전파 약한 활성은하핵 간의 물리적 차이를 명확히 하는 것.

제안 방법

• 제트-디스크 시스템 전반에 걸쳐 질량과 에너지 보존 원리를 적용하여 제트의 대류 기여도를 순환적 디스크 광도에 스케일링하는 방법.
• 소형 전파 핵에 대한 Blandford & Königl 모델을 확장하여 제트-디스크 공생과 자기 일관된 에너지 흐름을 포함하는 모델링.
• 동기복사 및 역역산 복사(SSC) 메커니즘을 사용하여 전파에서 X선 영역까지의 광역 스펙트럼 에너지 분포를 모델링.
• 자기 에너지 흐름이 제트의 운동 에너지 흐름과 유사한 '전체 등분할' 개념을 적용.
• 최소 전자 루프팩터 γ_e,min ≥ 100을 갖는 전자 에너지 분포를 사용하여 제트 효율성과 쌍생성을 제약.
• 모델 예측을 전파 강한 활성은하핵의 관측된 핵 및 루프 복사세기와 크기와 비교.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 관측된 활성은하핵의 전파에서 X선 영역으로의 복사 메커니즘은 단일 제트-디스크 공생 모델로 설명될 수 있는가?
• RQ2 전파 강한 활성은하핵의 광도를 설명하기 위해 제트가 고효율을 달성하기 위해 필요한 조건은 무엇인가?
• RQ3 어떤 활성은하핵은 전파 강하고 다른 것은 전파 약한가? 이 차이를 결정짓는 요소는 무엇인가?
• RQ4 전자 에너지 분포와 쌍생성이 저주파 전파 스펙트럼과 제트 에너지 수준에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 내부 디스크의 에너지 소모 과정이 상대론적 제트를 어떻게 공급하는가?

주요 결과

• 제트-디스크 공생 모델은 광역 주파수 범위에서 활성은하핵의 핵 및 루프의 관측된 전파 및 X선 복사세기를 성공적으로 재현한다.
• 전파 강한 활성은하핵의 고효율 제트는 전체 등분할 조건을 만족하는 '최대 제트'여야 하며, 이는 자기 에너지 흐름과 운동 에너지 흐름이 유사한 상태를 의미한다.
• 모델은 충분한 복사 출력을 확보하기 위해 최소 전자 루프팩터 γ_e,min ≥ 100 (E ≥ 50 MeV) 또는 상당한 수준의 전자-양전자 쌍 생성이 필요하다고 요구한다.
• 전파 약한 활성은하핵은 동일한 기초 제트-디스크 시스템으로 설명 가능하며, 이 차이는 부분-파섹 규모에서 전자 가속 효율성이 낮기 때문이다.
• 고력 제트를 유지하기 위해 제트 생성 과정이 내부 순환적 디스크의 에너지 소모 과정과 본질적으로 연결되어야 한다.
• 모델은 제트 내의 하드론 상호작용이 자연스럽게 쌍생성을 유도할 수 있으며, 이는 저주파 자기흡수 스펙트럼에 영향을 미칠 수 있다고 예측한다.