[論文レビュー] "Flat" broad line region and gamma-ray absorption in blazars

F. Tavecchio, G. Ghisellini|arXiv (Cornell University)|Sep 11, 2012

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 5被引用数 15

ひとこと要約

本論文は、フラットな（ディスク状の）幅広い線領域（BLR）の幾何学的構造が、フラットスペクトル電波クェザー（FSRQ）におけるγγ → e⁺e⁻過程によるγ線吸収に与える影響を調査する。CLOUDYでシミュレートされたBLRスペクトルとエネルギー依存性のある光学的厚さτ(E)のモデル化を用いて、発光がBLR内に存在する場合、たとえディスク状のBLR（α ≈ 25°）であっても、数十GeVを超えるエネルギーで強い吸収（τ > 1）が生じることを明らかにした。これは、VHE γ線の検出がBLRの外側で発生する必要があることを示唆している。幾何学的形状にかかわらず、そのような条件を満たす必要がある。

ABSTRACT

We study the impact of the geometry of the broad line region (BLR) on the expected absorption, through the γγ ightarrow e^{\pm} process, of gamma rays produced in the relativistic jet of flat spectrum radio quasars (FSRQ). We consider "flat" (or "disky") BLR models, and use BLR spectra calculated with the photoionization code CLOUDY, already used to investigate the emission and the absorption of high-energy photons in FSRQ. We characterize the energy-dependent optical depth of the process, τ(E), for different accretion disk luminosities, aperture angles of the BLR (α, as measured from the equatorial plane), and initial injection eighths of the high-energy photons, $R_{ m o}$. We study in particular how the change of these parameters influences the spectral break at GeV energies, predicted if the emission occurs within the BLR. We found a well defined relation between the break energy and the post-break slope, both uniquely determined by α. We finally find that even a rather disk-like BLR (α\sim 25^\circ) corresponds to important absorption (τ>1) of photons above few tens of GeV produced within the BLR. We therefore conclude that the VHE emission detected from FSRQs occurs beyond the BLR.

研究の動機と目的

• フラットなBLR幾何学的形状がFSRQにおけるγ線の不透明度に与える影響を評価すること。
• 球形モデルと比較して、ディスク状のBLRが吸収を軽減するかどうかを特定すること。
• BLRの幾何学的形状がγ線スペクトルにおけるGeV領域のスペクトル折り返しエネルギーおよび折り返し後のスペクトル勾配に与える影響を調査すること。
• フラットな幾何学的形状のもとで、FSRQからの観測されたVHE γ線発光がBLR内での発光と整合するかを検証すること。
• FSRQにおけるγ線発光領域の位置に与えるインパクトを検討すること。

提案手法

• さまざまな降着円盤の放射率とBLRの開口角αに対して、光電離コードCLOUDYを用いてBLRスペクトルエネルギー分布をシミュレートする。
• 相対論的ビーム効果と光子力学を考慮したγγ → e⁺e⁻過程におけるエネルギー依存性のあるγ線光学的厚さτ(E)を計算する。
• BLR半径RBLRに対する発光位置距離Roを変化させ、位置依存の吸収を評価する。
• 幾何学的効果を調査するために、αとRoの関数としてのスペクトル折り返しエネルギーと折り返し後のスペクトル指数ΔΓを分析する。
• 球形（α = 90°）とフラットな（α = 60°, 30°）幾何学の比較を通じて、幾何的要因の影響を分離する。
• スペクトル特徴に起因する吸収の診断として、HeII線の閾値（約10–20 GeV）を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フラットなBLR幾何学的形状は、FSRQにおけるγ線光学的厚さτ(E)にどのように影響を与えるか？
• RQ2 ディスク状のBLR（α ≈ 25°）は、発光がBLR内に存在する場合、VHE発光が検出可能になるほどγ線吸収を十分に軽減できるか？
• RQ3 GeVスペクトルにおける折り返しエネルギーとBLR開口角αとの関係は何か？
• RQ4 折り返し後のスペクトル勾配ΔΓは、αおよび発光位置距離Roにどのように依存するか？
• RQ5 観測されたFSRQからのVHE γ線発光は、フラットな幾何学的形状であっても、発光領域がBLRの外側に位置する必要があるか？

主な発見

• 発光がBLR内に存在する場合、開口角α ≈ 25°のディスク状BLRであっても、数十GeVを超えるエネルギーの光子に対して強いγ線吸収（τ > 1）が生じる。
• γ線スペクトルにおける折り返しエネルギーはBLR開口角αに依存し、αが小さいほど頭向きの衝突確率が低下することで、折り返しエネルギーがずれる。
• 折り返しエネルギーと折り返し後のスペクトル指数ΔΓとの間に明確な関係が存在し、両者はαによって一意に決定される。
• Ro < RBLRの場合、すべての検討された幾何学的形状と放射率において、E > 50 GeVでτ > 1となり、強い不透明性が示された。
• Ro ≳ RBLR（発光がBLRの外側）の場合にのみ、τが1未満に低下し、これはFSRQにおけるVHE γ線の検出と整合的である。
• 結果から、FSRQにおけるVHE γ線発光は、最も有利なフラットな幾何学的形状の仮定のもとであっても、BLRの外側から発生している必要があると示唆される。