[논문 리뷰] A model for microquasars of Population III

Pablo Sotomayor Checa, Gustavo E. Romero|arXiv (Cornell University)|2019. 06. 12.

Astrophysical Phenomena and Observations참고 문헌 62인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 초임계량의 질량 전이가 초광속 에드링턴 비율로 발생하는, 인구 III 별을 공급원으로 하는 마이크로쿼사르에 대한 렙토-하드론 모델을 제시한다. 이 모델은 방사압 풍속과 상대론적 제트가 비열적 복사 방출을 일으키며, 이러한 시스템은 강력한 자외선 복사와 고에너지 간성우주선을 방출한다. 전자기적 캐스케이드는 상대론적 양성자와 전자에 의해 유도되며, z ≈ 10에서 간성간 매질의 재이온화에 크게 기여한다.

ABSTRACT

Current simulations indicate that the first stars were formed predominantly in binary systems. The study of the contribution of the first accreting binary systems to the reionization and heating of the intergalactic medium requires the formulation of a concrete model for microquasars of Population III. We aim at constructing a complete model for microquasars where the donor star is of Population III. We consider that the mas-loss of the star is caused exclusively by the spill of matter through the Roche lobe towards the black hole. We calculate the spectral energy distribution of the radiation produced by the accretion disk, the radiation-pressure driven wind, and the relativistic particles in the jets, within the framework of a lepto-hadronic model. In addition, we estimate the impact on the reionization by the first microquasars. We determine that Population III microquasars are powerful sources of ultraviolet radiation produced by the winds of their super-critical disks, and generate a broadband non-thermal emission in jets. Our results indicate that microquasars in the early Universe could have been important for the reionization and heating of the intergalactic medium.

연구 동기 및 목표

• 인구 III 공급성 성간의 마이크로쿼사르에 대한 완전한 물리적 모델을 수립하는 것. 이는 금속 농도가 0인 특성으로 은하계 마이크로쿼사르와 다름.
• 우주의 어둠운 시대 동안 이러한 시스템이 간성간 매질(IGM)의 재이온화와 난방에 기여하는 정도를 정량화하는 것.
• 초기 우주에서 질량 전이 디스크와 상대론적 제트로부터 고에너지 복사와 간성우주선 생산을 추정하는 것.
• 간성간 매질의 이온화에 기여하는 상대론적 양성자와 전자에 의해 유도된 전자기 캐스케이드의 역할 평가

제안 방법

• 모델은 초에드링턴 비율로 로체 로브 오버플로우를 통한 질량 전이를 가정하며, 이는 방사압에 의해 구동되는 디스크 풍속을 초래한다.
• 비열적 복사 방출을 계산하기 위해 렙토-하드론 프레임워크를 사용하며, 제트 내의 상대론적 전자와 양성자가 주변 복사 및 자기장과 상호작용한다.
• 네 가지 별개의 제트 영역을 모델링한다: 내부 가속 영역, 버드 쇼크 영역, 코코넛 영역, 재구속 영역. 각 영역은 입자 가속과 복사에 기여한다.
• 내부 및 외부 타겟(특히 CMB)에 대한 광자-광자 흡수(γγ-결합)를 포함하여 고에너지 스펙트럼 억제를 보정한다.
• 디스크 복사, 풍속 복사, 제트 복사의 스펙트럼 에너지 분포를 계산하며, 역컴프턴 복사 및 π-붕괴 과정을 포함한다.
• 초기 우주의 조건을 시뮬레이션하기 위해 천체역학적 적색편이 z = 10을 채택한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 인구 III 공급성을 가진 마이크로쿼사르가 간성간 매질의 재이온화에 기여할 만큼의 자외선 및 고에너지 복사를 방출할 수 있는가?
• RQ2 내부 및 외부 광자-광자 흡수 과정이 이러한 시스템으로부터의 고에너지 감마선 탐지 가능성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 간성간 매질에서 상대론적 양성자와 전자가 유도하는 전자기 캐스케이드는 이온화에 얼마나 기여하는가?
• RQ4 초기 환경의 자외선 재이온화에 기여하는 초임계량 디스크에서의 방사압 풍속의 역할은 무엇인가?
• RQ5 은하계 마이크로쿼사르와 비교할 때 인구 III 마이크로쿼사르의 제트 특성과 입자 가속 메커니즘은 어떻게 다를까?

주요 결과

• 인구 III 마이크로쿼사르는 주로 방사압에 의해 구동되는 풍속으로 강력한 자외선 복사를 방출하며, 이는 주변 간성간 매질의 이온화를 유도할 수 있다.
• 디스크는 에너지가 약 ~10 keV까지 도달하는 X선 광자를 생성하지만, 이는 밀도가 높은 풍속에 의해 크게 감쇠되어 내부 영역의 고에너지 복사 방출이 억제된다.
• 내부 제트 영역에서의 내부 γγ-결합은 MeV 이상의 고에너지 복사 방출을 억제하며, 이는 밀도가 높은 소스 내에서 강한 흡수를 나타낸다.
• 최종 제트 영역의 상대론적 양성자는 광핵반응을 통해 전자기 캐스케이드를 유도하며, 이는 제2차 쌍생성과 광자를 생성하여 간성간 매질의 이온화에 기여할 수 있다.
• 모델은 고에너지 간성우주선과 고에너지 중성미자의 상당한 생산을 예측하며, 특히 제트 내에서 중성자의 붕괴에 의해 발생하는 것으로, 향후 관측소에서 탐지 가능할 수 있다.
• CMB가 주요 광자 타겟인 간성간 매질에서 상대론적 렙토니움과 양성자가 유도하는 전자기 캐스케이드는 장거리 재이온화에 유망한 메커니즘으로 여겨진다.