[論文レビュー] FERMI BUBBLES: EVIDENCE FOR A POSSIBLE RECENT AGN JET ACTIVITY IN THE GALAXY

Fulai Guo, William G. Mathews|arXiv (Cornell University)|Feb 28, 2011

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、銀河系におけるフェルミガンマ線バブルが100万〜200万年前に発生した最近の短時間にわたるAGNジェット活動によって生成されたと提案している。ジェットは銀河ハローに約1×10⁵⁷〜8×10⁵⁷エールグの運動エネルギーを放出した。自己一貫した宇宙線-ガス結合を含む軸対称流体ダイナミクスシミュレーションにより、宇宙線圧力が横方向の拡張を駆動し、太く鋭い縁を持つバブルを形成する。一方、衝撃波は周囲のガスを加熱し、ガンマ線およびX線の特徴を同時に説明できる。

ABSTRACT

The Fermi Gamma-ray Space Telescope reveals two large gamma-ray bubbles in the Galaxy, which extend about 50 � (� 10 kpc) above and below the Galactic center and are symmetric about the Galactic plane. Using axisymmetric hydrodynamic simulations with a self-consistent treatment of the dynamical cosmic ray (CR) - gas interaction, we show that the bubbles can be created with a recent AGN jet activity about 1 - 2 Myr ago, which was active for a duration of � 0:1 - 0:5 Myr, releasing a total energy of � 1 - 8� 10 57 erg. The bipolar jets were ejected into the Galactic halo along the symmetric axis perpendicular to the Galactic plane. Near the Galactic center, the jets must be moderately light with a typical density contrast 0:001 . � . 0:1 relative to the ambient hot gas. The jets are energetically dominated by kinetic energy, and over-pressured with CR pressure which induces lateral jet expansion, creating fat CR bubbles as observed. The sharp edges of the bubbles imply that CR diffusion across the bubble surface is strongly suppressed. The jet activity induces a strong shock, which heats and compresses the ambient gas in the Galactic halo, successfully explaining the ROSAT X-ray features surrounding the bubbles. Fermi bubbles provide strong evidence for a recent powerful AGN jet activity in our Galaxy, shedding new insights into the origin of the halo CR population and the detailed mechanism through which active galactic nucleus feedback regulates the co-evolution of massive black holes and their host bulges. Subject headings: cosmic rays – galaxies: active – galaxies: jets – Galaxy: nucleus – gamma rays: galaxies

研究の動機と目的

• 銀河系に観測された大規模なフェルミガンマ線バブルの起源を説明すること。
• 最近のAGNジェット活動が、観測されたバブルの形態およびエネルギー特性を再現できるかを調査すること。
• バブルを再現するために必要な物理的条件（ジェットエネルギー、継続時間、密度対比など）を特定すること。
• 宇宙線圧力がバブルの形状をどのように形成し、その縁にわたって宇宙線拡散を抑制するかを評価すること。
• ジェット活動に起因する衝撃波加熱によって、周囲のロサットX線特徴が説明できるかを検証すること。

提案手法

• 宇宙線と熱ガスの自己一貫した結合を含む軸対称流体ダイナミクスシミュレーションの実施。
• 銀河平面に垂直な対称軸に沿って、ホットハロー媒質へ噴出する双極的ジェットのモデル化。
• 宇宙線圧力の動的取り扱いにより、横方向の拡張およびバブル形成をシミュレート。
• 観測された衝撃構造を再現するために、宇宙線拡散および熱ガスへのエネルギー移動を組み込む。
• 観測されたバブルのサイズ、鋭い縁、X線特徴と一致するよう、ジェットパラメータ（エネルギー、継続時間、密度対比：0.001〜0.1）を調整。
• フェルミガンマ線データおよびロサットX線データを用いた、多波長観測との整合性検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最近のAGNジェット活動が、フェルミガンマ線バブルの形態およびエネルギー特性を説明できるか？
• RQ2 観測されたバブルのサイズと鋭い縁を再現するために、必要なジェットエネルギー、継続時間、初期密度対比は何か？
• RQ3 宇宙線圧力がどのように横方向の拡張を引き起こし、太く過圧力なバブルを形成するか？
• RQ4 バブル表面にわたって宇宙線拡散が強く抑制される物理的メカニズムは何か？これにより鋭い縁が生じる。
• RQ5 ジェット活動に起因する衝撃波加熱が、周囲のロサットX線特徴を説明できるか？

主な発見

• フェルミバブルは、100万〜200万年前に発生し、0.1〜0.5百万年間継続した最近のAGNジェット活動によって、1×10⁵⁷〜8×10⁵⁷エールグの総エネルギー放出によって成功裏に再現できる。
• バブルは、周囲のホットハロー・ガスに対して密度対比0.001〜0.1のやや軽いジェットによって生成される必要がある。
• バブルは主に宇宙線圧力によって駆動されており、横方向の拡張を引き起こし、観測された太く過圧力な形状を形成する。
• 鋭いバブル縁は、宇宙線拡散が強く抑制されていることを示しており、低拡散係数と整合的である。
• ジェットに起因する衝撃波は、周囲のハロー・ガスを加熱および圧縮し、バブル周囲のロサットX線特徴を成功裏に再現した。
• これらの結果は、銀河系に最近、強力なAGNジェットイベントが発生した証拠を強く示しており、ハロー内宇宙線集団の起源およびAGNフィードバック機構と関連づけられる。