[논문 리뷰] The Role of Plasma Instabilities in the Propagation of Gamma-Rays from Distant Blazars

Andrey Saveliev, Carmelo Evoli외 1명|arXiv (Cornell University)|2013. 11. 26.

Astrophysics and Cosmic Phenomena인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 원거리 블라자로부터 온 지니티미크론(gev) 감마선 플럭스를 억제하는 데 있어 은하간 매질(IGM)의 플라즈마 불안정성은 외부 은하 자기장(EGMF)과의 대체 메커니즘으로서의 가능성을 조사한다. 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 테바라드 감마선으로부터 유도되는 상대론적 전자-양전자 비드가 IGM 내에서 이중류 불안정성에 의해 억제될 수 있음을 보여주며, 이는 페르미-헤스 데이터를 설명할 수 있는 임계 IGM 온도 $ T \lesssim 5 \times 10^4\,\text{K} $를 필요로 한다. 이는 $ B \gtrsim 10^{-16}\,\text{G} $ 자기장에 의해 기대되는 억제 수준과 유사하다.

ABSTRACT

The observation in the GeV band of distant blazars has been recently used to put constraints on the Extragalactic Background Light (EBL) and Extragalactic Magnetic Fields (EGMF). To support such claims one has to assume that the leptonic component of the electromagnetic cascade initiated by blazar gamma-rays is deflected away by strong enough EGMF, suppressing the signal in the Fermi window. Apart from magnetic fields, the development of such a cascade might be affected by plasma instabilities due to interactions with the ionized component of the Intergalactic Medium (IGM). In this paper we model the electromagnetic cascade through a Monte Carlo simulation in which both effects are taken into account separately, and we derive constraints on these scenarios from the combined Fermi-HESS data set. In the specific case of 1ES 0229+200 observations, we show that both explanations of the GeV flux suppression are compatible with the available data, specifically by assuming a magnetic field of $B \gtrsim 10^{-16}\, m{G}$ or an IGM temperature of $T \lesssim 5 imes 10^{4}\, m{K}$ along the line of sight. Future observations of the spectra of high redshift ($z\lesssim 1$) TeV objects will help to distinguish magnetic field and plasma effects on electromagnetic cascades in the IGM.

연구 동기 및 목표

• 원거리 블라자로부터 온 감마선의 전자기 캐스케이드가 은하간 매질(IGM) 내 플라즈마 불안정성에 의해 억제될 수 있는지 평가하여, EGMF에 의한 굴절과의 대안을 제시하는 것.
• 몬테카를로 시뮬레이션 프레임워크를 사용하여 IGM 내 전자기 캐스케이드의 발달을 모델링하고, 플라즈마 효과와 자기장 굴절을 모두 포함하는 것.
• 플라즈마 불안정성 효과가 실제로 관측된 지니티미크론 플럭스 억제를 재현할 수 있는지, 특히 페르미와 헤스 데이터의 통합 결과에서 1ES 0229+200에 대해 검증하는 것.
• 미래의 고적색도(z ≤ 1) 테바라드 감마선 천체 관측을 통해 플라즈마 불안정성과 자기장 시나리오를 구분하는 것.
• IGM 온도와 전자 비드 밀도가 이중류 불안정성 강도와 캐스케이드 발달에 미치는 영향을 평가하는 것.

제안 방법

• 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 블라자로부터 온 테바라드 감마선에 의해 유도되는 전체 전자기 캐스케이드를 모델링하며, EBL 상에서의 쌍생성과 CMB 상에서의 역스패크링 콜로이드를 포함한다.
• 외부 은하 자기장(EGMF)과 IGM 내 플라즈마 불안정성의 영향을 별도로 포함시키며, Broderick 등(2012)과 Schlickeiser 등(2012, 2013)의 기존 공식을 활용한다.
• 상대론적 전자-양전자 비드의 물리적 특성은 동적으로 결정되며, 비드 밀도는 감마선 빛의 세기와 적색편이로부터 유도된다.
• 이중류 불안정성의 성장률은 자장을 가진 플라즈마에 대한 분산관계를 사용하여 계산되며, 약한 및 강한 영역 간 전이 조건은 식 (12)에 기재된 조건에 의해 정의된다.
• 플라즈마 효과로 인한 전자들의 회복 시간 $ \tau_{\text{r}} $ 를 계산하고, 냉각 및 상호작용 시간스케일과 비교한다.
• 다양한 IGM 온도와 자기장 강도에 대해 스펙트럼을 생성하고, 페르미-헤스가 1ES 0229+200에 대해 관측한 결과와 비교하여 제약 조건을 도출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 IGM 내 플라즈마 불안정성이 원거리 블라자로부터 온 감마선의 전자기 캐스케이드를 억제할 수 있으며, 이는 EGMF에 의한 굴절과의 타당한 대안이 될 수 있는가?
• RQ2 페르미-헤스 데이터에서 관측된 1ES 0229+200의 지니티미크론 플럭스 억제를 재현하기 위해 필요한 IGM 온도는 얼마인가?
• RQ3 플라즈마 불안정성 억제의 스펙트럼 특징은 자기장 굴절과 어떻게 다를까? 특히 스펙트럼 특징과 적색편이 의존성 측면에서 비교 분석한다.
• RQ4 약한 및 강한 블라자 영역 간 전이가 플라즈마 기반 캐스케이드 억제 효율성에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ5 미래의 고적색도(z ≤ 1) 테바라드 블라자 천체 관측을 통해 플라즈마 불안정성과 자기장 시나리오를 구분할 수 있는가?

주요 결과

• IGM 내 플라즈마 불안정성은 테바라드 감마선으로부터 유도되는 전자기 캐스케이드의 발달을 상당히 억제하며, 이는 페르미 LAT가 관측한 지니티미크론 플럭스 감소를 초래한다.
• 적색편이 z = 0.14인 블라자 1ES 0229+200의 경우, 관측된 지니티미크론 플럭스 억제를 재현하기 위해 임계 IGM 온도 $ T \lesssim 5 \times 10^4\,\text{K} $ 가 필요하며, 이는 $ B \gtrsim 10^{-16}\,\text{G} $ 자기장에 의해 예상되는 억제 수준과 유사하다.
• 플라즈마 불안정성에 의한 억제 메커니즘은 이중류 불안정성이 支배하는 고에너지 영역(약 테바라드 수준)에서 더 강력하며, 자기장 굴절보다 더 효율적인 캐스케이드 억제를 이끈다.
• 약한 및 강한 불안정성 영역 간 전이로 인해 감마선 스펙트럼에 두 번째 피크가 나타나는 예측이 가능하며, 이는 고유한 관측적 서명으로 기능할 수 있다.
• 두 시나리오의 스펙트럼 추세가 다르다: 플라즈마 불안정성 억제는 비드 성장이 강해지므로 적색편이에 따라 증가하지만, 자기장 굴절 억제는 적색편이에 따라 감소한다.
• 헤스-II와 CTA가 향후 고적색도(z ≤ 1) 테바라드 천체를 관측함으로써, 전자기 캐스케이드에 대한 플라즈마 불안정성과 자기장 효과를 구분하는 데 핵심적인 역할을 할 것이다.