[论文解读] Hard X-ray diffuse emission from the Galactic Center seen by INTEGRAL

A. Neronov, M. Chernyakova+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 18, 2005

Astrophysical Phenomena and Observations被引用 4

一句话总结

该论文将银河系中心的硬X射线弥散发射（20–100 keV）识别为在1000秒 timescales 上非变星，表明其起源于一个扩展区域（约20 pc），而非中心黑洞Sgr A*。主要物理机制是超相对论性电子（10–100 TeV）的同步辐射，该机制高效地将黑洞的能量转化为非热X射线，与多波段数据一致，并因能量效率低下而排除了热或轫致辐射模型。

ABSTRACT

We study the hard X-ray (20-100 keV) variability of the Galactic Center (GC) and of the nearby sources on the time scale of 1000 s. We find that 3 of the 6 hard X-ray sources detected by INTEGRAL within the central 1 degree of the Galaxy are not variable on this time scale: the GC itself (the source IGR J1745.6-2901) as well as the source 1E 1743.1-2843 and the molecular cloud Sgr B2. We put an upper limit of 5 x 10^{-12} erg/(cm^2 sec) (in 20 to 60 keV band) on the variable emission form the supermassive black hole (the source Sgr A*) which powers the activity of the GC(although we can not exclude the possibility of rare stronger flares). The non-variable 20-100 keV emission from the GC turns out to be the high-energy non-thermal tail of the diffuse hard ``8 keV'' component of emission from Sgr A region. Combining the XMM-Newton and INTEGRAL data we find that the size of the extended hard X-ray emission region is about 20 pc. The only physical mechanism of production of diffuse non-thermal hard X-ray flux, which does not contradict the multi-wavelength data on the GC, is the synchrotron emission from electrons of energies 10-100 TeV.

研究动机与目标

• 确定INTEGRAL探测到的银河系中心（20–100 keV）硬X射线发射是否源自中心黑洞Sgr A*，或来自一个扩展区域。
• 通过分析1000秒 timescales 上的变异性，解决关于弥散'8 keV'成分起源的模糊性。
• 在Sgr A*的低光度和缺乏束缚热等离子体的条件下，确定主导物理机制产生非热硬X射线发射。
• 在多波段约束下，检验同步辐射、轫致辐射和逆康普顿机制的可行性。

提出的方法

• 对INTEGRAL INTEGRAL/ISGRI数据在1000秒时间间隔内进行系统性变异性分析，以区分源的本征变异性与仪器背景涨落。
• 将INTEGRAL 20–100 keV数据与XMM-Newton 1–10 keV数据进行比较，以估算硬X射线发射区域的空间范围。
• 对非变异性成分进行谱拟合，以确定发射机制，使用1–10 TeV HESS数据和红外光子密度模型的约束。
• 通过同步辐射、轫致辐射和逆康普顿过程建模电子冷却 timescales，以评估能量效率并验证与观测通量的一致性。
• 评估为重现观测到的硬X射线和TeV伽马射线通量，所需电子注入速率和磁场构型。
• 通过将预测的轫致辐射和逆康普顿通量与EGRET和HESS的观测极限进行比较，评估替代机制（如热等离子体、IC散射）的可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 银河系中心的硬X射线发射在1000秒 timescales 上是否变星？若否，这对其起源意味着什么？
• RQ2 Sgr A*周围非变异性硬X射线发射区域的空间范围是多少？
• RQ3 在不违反能量预算约束的前提下，哪种物理机制——同步辐射、轫致辐射或逆康普顿——最能解释观测到的20–100 keV弥散发射？
• RQ4 能否用同一组电子群体一致地解释观测到的银河系中心TeV伽马射线通量？
• RQ5 为重现从X射线到TeV波段的观测通量，所需电子能量、磁场强度和注入几何结构为何？

主要发现

• 银河系中心（20–100 keV）的硬X射线发射在1000秒 timescales 上非变星，Sgr A*的变异性通量90%上限为5×10⁻¹² erg/(cm²·s)。
• 基于XMM-Newton与INTEGRAL在约6角分扩展光圈下的光谱匹配，扩展硬X射线发射区域的尺寸被限制在约20 pc。
• 非变异性硬X射线发射被识别为弥散'8 keV'成分的高能非热尾，而非热等离子体。
• 10–100 TeV电子的同步辐射是唯一满足所有多波段约束且避免能量预算违规的可行机制。
• 轫致辐射和逆康普顿机制因极端低效和过量产生MeV–GeV辐射而被排除。
• 在同步辐射情景下，Sgr A*所需的总功率约为10³⁶ erg/s，与其中红外光度观测值一致，使其成为能量最经济的模型。