[논문 리뷰] Variability in the synchrotron self-Compton model of blazar emission

A. Mastichiadis, J. G. Kirk|arXiv (Cornell University)|1996. 10. 09.

Astrophysics and Cosmic Phenomena인용 수 47

한 줄 요약

이 논문은 블라자르 방출을 위한 시간에 따라 변하는 싱크로트론 자기-컴프턴(SSI) 모델을 제시한다. 전자 주입, 냉각 및 복사 진화를 시뮬레이션하여 Mkn 421에서 관측된 빠른 플레어를 설명한다. 이 모델은 1994년 관측된 keV 및 TeV 플레어가 동시에 발생하는 현상을, 최대 전자 에너지의 급격한 증가로 재현할 수 있음을 보여주며, X선 대역이 가속 물리학에 가장 민감하다.

ABSTRACT

We present a model of the spectra of gamma-ray emitting blazars in which a single homogeneous emission region both emits synchrotron photons directly and scatters them to high (gamma-ray) energy before emission (a ``synchrotron self-Compton'' or SSC model). In contrast to previous work, we follow the full time dependent evolution of the electron and photon spectra, assuming a power-law form of the electron injection and examine the predictions of the model with regard to variability of the source. We apply these computations to the object Mkn 421, which displayed rapid variability in its X-ray and TeV emission during a multiwavelength campaign in 1994. This observation strongly implies that the same population of electrons produces the radiation in both energy bands. By fitting first the observed quiescent spectrum over all 18 orders of magnitude in frequency, we show that the time dependence of the keV/TeV flare could have been the result of a sudden increase in the maximum energy of the injected electrons. We show also that different types of flare may occur in this object and others, and that the energy band most sensitive to the properties of the acceleration mechanism is the X-ray band.

연구 동기 및 목표

• 블라자르 방출의 시간에 따라 변하는 스펙트럼 진화를 모델링하는 것, 특히 Mkn 421에서 관측된 빠른 플레어를 대상으로 한다.
• 다중파장 관측에서 암시되는 바로, 단일 전자 집단이 X선 및 TeV 감마선 방출을 동시에 생성할 수 있는지 테스트하는 것.
• 전자 주입 및 냉각 역학이 다중주파수 플레어 형성에 미치는 역할을 조사하는 것.
• 전자 가속 메커니즘의 특성에 가장 민감한 에너지 대역을 특정하는 것.
• 비균일한 구조가 필요 없이 관측된 변동성을 재현할 수 있는 균일한 SSC 모델의 타당성을 평가하는 것.

제안 방법

• 상대론적 운동을 하는 플라즈마 빌지 내 전자 및 복사 분포에 대한 시간에 따라 변하는 운동방정식의 수치적 해법.
• 핵심 물리 과정 통합: 싱크로트론 복사, 역컴프턴 산란( Thomson 및 Klein-Nishina 영역), 광자-광자 쌍생성, 싱크로트론 자기흡수.
• 플레어를 시뮬레이션하기 위해 시간에 따라 변하는 최대 에너지를 갖는 등급형 전자 주입 스펙트럼을 가정.
• 지구 기준계에서 관측 스펙트럼을 계산하기 위해 로렌츠 변환을 사용하며, 상대론적 비스듬함(도플러 보정)을 고려.
• 플레어 시뮬레이션 이전에 18개 온도에 걸친 휘어진 스펙트럼을 맞추어 모델 파rameter를 제약.
• 1994년 Mkn 421 캠프에서의 다중파장 관측과 시뮬레이션된 광도곡선 및 스펙트럼을 비교.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 균일 전자 집단이 Mkn 421에서 관측된 동시 keV 및 TeV 플레어를 설명할 수 있는가?
• RQ2 관측된 다중주파수 플레어를 재현하기 위해 전자 주입(예: 최대 에너지)에 어떤 변화가 필요한가?
• RQ3 전자 가속 메커니즘의 변동에 가장 민감한 에너지 대역은 어디인가?
• RQ4 시간에 따라 변하는 전자 냉각 및 주입 역학은 플레어 기간 동안 스펙트럼 진화에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 비균일한 구조가 필요 없이 균일한 SSC 모델이 관측된 변동성을 어느 정도 재현할 수 있는가?

주요 결과

• Mkn 421의 동시 keV 및 TeV 플레어는 전자 주입률이나 자기장 변화 없이도 최대 전자 에너지의 급격한 증가로 재현될 수 있다.
• 고에너지 전자의 냉각 시간 상수가 가장 빠르므로 X선 대역이 전자 가속 메커니즘의 특성에 가장 민감하다.
• 도플러 인자 약 15를 포함한 물리적으로 일관된 파rameter로 18개 온도에 걸친 휘어진 스펙트럼을 재현할 수 있다.
• 하루 수준의 빠른 변동성은 약 15의 도플러 인자와 일치하며, 더 빠른 변동은 파rameter 스케일링으로도 수용 가능하다.
• 저주파 수신대역에서는 싱크로트론 자기흡수 효과가 나타나지만, 더 높은 도플러 인자에서는 유도된 컴프턴 산란도 수신대역에 영향을 줄 수 있다.
• 균일한 SSC 모델은 관측된 변동성을 타당하게 설명할 수 있으나, 더 복잡한 구조를 요구하는 비균일 모델에 비해 더 높은 정확도를 확보하기는 어렵다.