[논문 리뷰] X-ray Emission Properties of Large Scale Jets, Hotspots and Lobes in Active Galactic Nuclei

J. Kataoka, Ł. Stawarz|2004. 11. 02.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 2인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 천체물리학적 활성은하핵의 대규모 제트, 뜨거운 지점, 리브스에서의 X선 방출을 창라와 애스카 데이터를 사용하여 분석한다. 40개 이상의 은하계 간성에서 관측된 자료를 바탕으로, 동기방출, 자기복사 자기복사, 외부 복사 모델을 비교하여, 강력한 소스에서 X선이 밝은 제트-클러스터가 등급균형 가정 하에 예측되는 것보다 높은 방출을 보임을 발견하였다. 이는 등급균형 이하의 자기장 또는 매우 상대론적 대류 흐름을 암시하며, 표준 역-컴프턴 모델에 도전한다.

ABSTRACT

We examine a systematic comparison of jet-knots, hotspots and radio lobes recently observed with Chandra and ASCA. This report will discuss the origin of their X-ray emissions and investigate the dynamics of the jets. The data was compiled at well sampled radio (5GHz) and X-ray frequencies (1keV) for more than 40 radio galaxies. We examined three models for the X-ray production: synchrotron (SYN), synchrotron self-Compton (SSC) and external Compton on CMB photons (EC). For the SYN sources -- mostly jet-knots in nearby low-luminosity radio galaxies -- X-ray photons are produced by ultrarelativistic electrons with energies 10-100 TeV that must be accelerated in situ. For the other objects, conservatively classified as SSC or EC sources, a simple formulation of calculating the ``expected'' X-ray fluxes under an equipartition hypothesis is presented. We confirmed that the observed X-ray fluxes are close to the expected ones for non-relativistic emitting plasma velocities in the case of radio lobes and majority of hotspots, whereas considerable fraction of jet-knots is too bright at X-rays to be explained in this way. We examined two possibilities to account for the discrepancy in a framework of the inverse-Compton model: (1) magnetic field is much smaller than the equipartition value, and (2) the jets are highly relativistic on kpc/Mpc scales. We concluded, that if the inverse-Compton model is the case, the X-ray bright jet-knots are most likely far from the minimum-power condition. We also briefly discuss the other possibility, namely that the observed X-ray emission from all of the jet-knots is synchrotron in origin.

연구 동기 및 목표

• 대규모 제트, 뜨거운 지점, 리브스에서의 X선 방출 메커니즘—동기방출, 자기복사 자기복사, 외부 복사 중 어느 것이 주요한지 규명하기.
• 제트-클러스터, 뜨거운 지점, 리브스에서 관측된 X선 방출이 자기장과 비상대론적 플라즈마 속도에 대한 등급균형 가정 하에서 예측되는 바와 일치하는지 평가하기.
• 방출 불일치가 제트의 역학, 특히 전체 로렌츠 인자와 자기장 강도에 미치는 영향을 조사하기.
• 등급균형 가정 하에서 역-컴프턴 모델이 X선이 밝은 제트-클러스터에 대해 여전히 타당한지 평가하기.
• 초상대론적 전자에서의 동기방출 또는 비표준 에너지 분포를 포함한 대안적 설명을 탐색하기.

제안 방법

• 창라와 애스카를 통해 관측된 40개 이상의 은하계 간성에서 5 GHz(라디오) 및 1 keV(X선)에서의 다중파장 자료를 수집.
• 세 가지 방출 모델을 적용: 동기방출(SYN), 자기복사 자기복사(SSC), 외부 복사(EC) 모델(CMB 광자 기반).
• 자기장과 상대론적 입자 간의 에너지 등급균형을 가정하여 예상되는 X선 방출량을 계산.
• 제트-클러스터, 뜨거운 지점, 리브스에 대해 관측된 X선 방출량과 등급균형 모델의 예측값을 비교.
• 역-컴프턴 모델에서 요구되는 도플러 빔형 인자 δ를 적색편이에 따라 함수로 평가하여 상대론적 제트 모델의 일관성 검증.
• 고속 상황에서 제트-클러스터에 대한 일점 균일 방출 모델의 타당성 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 은하계의 대규모 제트, 뜨거운 지점, 리브스에서 X선 방출 메커니즘으로서 동기방출, 자기복사 자기복사, 외부 복사 중 어느 것이 주요한가?
• RQ2 제트-클러스터, 뜨거운 지점, 리브스에서 관측된 X선 방출이 비상대론적 플라즈마 속도를 가정한 등급균형 가정 하에서 예측과 일치하는가?
• RQ3 왜 일부 제트-클러스터는 등급균형 모델에 따르면 예상보다 X선에서 훨씬 밝게 나타나는가?
• RQ4 X선이 밝은 제트-클러스터의 밝기는 kpc/Mpc 척도에서 매우 상대론적 제트의 전체 로렌츠 인자(Γ ≥ 5)로 설명될 수 있는가?
• RQ5 EC 모델에서 요구되는 도플러 인자 δ와 적색편이 z 사이의 관측된 반비례 관계는 물리적 특성인지, 모델 가정의 산물인가?

주요 결과

• 근접한 저광도 FR I 은하계 간성에서의 제트-클러스터 X선 방출은 현지에서 가속된 초상대론적 전자(10–100 TeV)에서 기인한 동기방출과 일치한다.
• 대부분의 뜨거운 지점과 라디오 리브스에서 관측된 X선 방출은 비상대론적 플라즈마 속도를 가정한 등급균형 모델의 예측과 일치한다.
• 강력한 소스에서의 많은 제트-클러스터는 표준 역-컴프턴 모델이 등급균형 가정 하에서 설명할 수 없을 정도로 X선에서 너무 밝다.
• X선 밝기의 불일치는 자기장이 등급균형 수준 이하이거나, 매우 상대론적 대류 흐름(Γ ≥ 5)이 제트 내에 존재함을 암시한다.
• EC 모델에서 요구되는 도플러 빔형 인자 δ는 적색편이와 반비례 관계를 보이며, 이는 고적색편이 소스에서 더 작은 δ가 필요함을 의미한다. 이는 물리적 차이 또는 모델 한계를 반영할 수 있다.
• 근접한 FR I 소스인 NGC 6251는 EC 모델 조건 하에서도 문제적 X선 방출을 보이며, 비표준 방출 메커니즘이 존재할 가능성을 암시한다.