[논문 리뷰] VHE Emission from Magnetic Reconnection in the RIAF of SgrA*

J. C. Rodrı́guez-Ramı́rez, E. M. de Gouveia Dal Pino외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 04. 11.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 9인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 은하중심 브라우닝 별 SgrA*의 복사 비효율성 흡착류(RIAF)에서 난류 자기재결합을 통해 가속화된 우주선(CR)에 의한 매우 높은 에너지(VHE) 감마선 방출을 조사한다. 일반 상대론적 자기유체역학(GRMHD) 시뮬레이션과 CRPropa 3 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하여, 흡착률 ≥10⁻⁷ M⊙ yr⁻¹일 경우 H.E.S.S.의 상한선과 일치하는 VHE 방출을 예측하며, 이는 향후 체렌코프 망원경 앙상블(CTA)에 의해 탐지 가능할 수 있다. 반면 뉴트리노 방출은 IceCube의 확산 뉴트리노 방출과 비교해 무시할 만큼 작다.

ABSTRACT

The cosmic-ray (CR) accelerator at the galactic centre (GC) is not yet established by current observations. Here we investigate the radiative-inefficient accretion flow (RIAF) of Sagittarius A* (SgrA*) as a CR accelerator assuming acceleration by turbulent magnetic reconnection, and derive possible emission fluxes of CRs interacting within the RIAF (the central $\sim10^{13}$cm). The target environment of the RIAF is modelled with numerical, general relativistic magneto-hydrodynamics (GRMHD) together with leptonic radiative transfer simulations. The acceleration of the CRs is not computed here. Instead, we inject CRs constrained by the magnetic reconnection power of the accretion flow and compute the emission/absorption of $γ$-rays due to these CRs interacting with the RIAF, through Monte Carlo simulations employing the { t CRPropa 3} code. The resulting very-high-energy (VHE) fluxes are not expected to reproduce the point source HESS J1745-290 as the emission of this source is most likely produced at pc scales. The emission profiles derived here intend to trace the VHE signatures of the RIAF as a CR accelerator and provide predictions for observations of the GC with improved angular resolution and differential flux sensitivity as those of the forthcoming Cherenkov Telescope Array (CTA). Within the scenario presented here, we find that for mass accretion rates $\gtrsim 10^{-7}$M$_\odot$yr$^{-1}$, the RIAF of SgrA* produces VHE fluxes which are consistent with the H.E.S.S. upper limits for the GC and potentially observable by the future CTA. The associated neutrino fluxes are negligible compared with the diffuse neutrino emission measured by the IceCube.

연구 동기 및 목표

• SgrA*의 RIAF가 난류 자기재결합에 의해 우주선 가속기로 작용할 수 있는지 탐색한다.
• 실제 GRMHD 및 복사 전달 시뮬레이션을 사용하여 RIAF 내에서 우주선 상호작용에 의한 VHE 감마선 방출을 모델링한다.
• 미래의 장비(예: CTA)에 의해 해상될 수 있는 관측 가능한 VHE 방출을 RIAF에서 예측한다.
• SgrA*의 RIAF에서 발생하는 VHE 방출이 HESS J1745-290 점원천을 설명하거나 이를 구별할 수 있는지 평가한다.

제안 방법

• HARM 및 GRM-Monty 코드를 사용하여 일반 상대론적 자기유체역학(GRMHD)으로 RIAF 환경을 시뮬레이션한다.
• RIAF 내의 배경 광자, 자기장 및 밀도장을 모델링하기 위해 레프톤 방출 전달 시뮬레이션을 수행한다.
• RIAF의 자기재결합 속도에 의해 제약을 받는 가속 메커니즘을 가정하여, CRPropa 3를 사용해 시뮬레이션된 RIAF 환경에 우주선을 주입한다.
• 에너지 의존성 주입 및 전파를 고려한 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 p-p 상호작용에 의한 VHE 감마선 생성을 계산한다.
• 통계적 정규화(Eq. A5)를 사용해 시뮬레이션된 우주선을 물리적 주입률로 스케일링하여 물리적 방출량을 추정한다.
• 일반 상대론적 곡률 효과를 忽시한 평평한 시공간 시뮬레이션에서의 영향을 평가하기 위해 VHE 광자의 반경 방향 기원을 계산한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SgrA*의 RIAF는 우주선 상호작용에 의해 현재 H.E.S.S. 상한선과 일치하는 VHE 감마선 방출을 생성할 수 있는가?
• RQ2 자기재결합에 의해 가속된 우주선의 RIAF에서 기대되는 VHE 방출 신호는 무엇이며, CTA에 의해 탐지 가능할까?
• RQ3 RIAF 내에서 VHE 광자의 반경 방향 생성 분포는 일반 상대론적 효과가 관측된 스펙트럼 에너지 분포(SED)에 상당한 영향을 미친다는가?
• RQ4 RIAF 내에서의 핵반응 상호작용에 의해 생성된 제2의 전자 및 양성자들이 탐지 가능한 X선 방출을 유도할 수 있으며, 이는 관측된 침체 상태의 X선 방출과 충돌하는가?
• RQ5 예측된 VHE 방출은 은하중심에서 관측된 확산 및 점원형 VHE 방출과 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 질량 흡착률 ≥10⁻⁷ M⊙ yr⁻¹일 경우, SgrA*의 RIAF는 은하중심의 H.E.S.S. 상한선과 일치하는 VHE 감마선 방출을 생성한다.
• 예측된 VHE 방출은 특히 향상된 각해상도와 차등 방출 감도를 지닌 체렌코프 망원경 앙상블(CTA)에 의해 탐지 가능할 수 있다.
• RIAF에서의 방출 프로파일은 에너지 ≥10 TeV에서 피크를 이룬다. 일반 상대론적 곡률 효과를 忽시한 시뮬레이션 프레임워크에서의 오차는 최소한이다.
• 10에서 100 TeV 사이의 에너지 범위에서 VHE 광자의 반경 방향 기원은 40 Rg 이내에서 가장 균일하게 분포하며, 이 에너지 범위의 방출은 일반 상대론적 보정에 덜 민감함을 시사한다.
• RIAF에서의 뉴트리노 방출은 IceCube가 측정한 확산 뉴트리노 방출과 비교해 무시할 만큼 작으며, 이는 고에너지 뉴트리노의 주요 기원으로서 이 메커니즘이 작용하지 않는다는 것을 의미한다.
• HESS J1745-290의 방출은 RIAF에서 기인할 가능성이 낮다. 변화 없고 X선 제약 조건이 있기 때문에, 몇 개의 중력 반경 내에서 핵반응 상호작용이 발생할 가능성이 낮다.