[论文解读] High-energy neutrinos and gamma rays from winds and tori in active galactic nuclei

Susumu Inoue, M. Cerruti+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 2022

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 14

一句话总结

本文提出，塞弗特星系NGC 1068中观测到的高能中微子和伽马射线源自活动星系核风及其与环形盘相互作用中的扩散性激波特加速度（DSA）。在低速风中加速的质子产生$p\gamma$-诱导级联，解释了冰立方（IceCube）观测到的TeV中微子和费米-LAT（Fermi-LAT）观测到的亚GeV伽马射线；而风-环形盘激波中的$pp$过程则解释了更高能段的伽马射线。

ABSTRACT

Powerful winds with wide opening angles, likely driven by accretion disks around black holes (BHs), are observed in the majority of active galactic nuclei (AGN) and can play a crucial role in AGN and galaxy evolution. If protons are accelerated in the wind near the BH via diffusive shock acceleration, $pp$ and $pγ$ processes generate neutrinos as well as pair cascade emission from the gamma-ray to radio bands. The TeV neutrinos detected by IceCube from the obscured Seyfert galaxy NGC 1068 may arise from collisionless shocks in a failed, line-driven wind that is physically well motivated. Although the cascade emission is $γγ$-attenuated above a few MeV, it can still contribute significantly to the sub-GeV gamma rays and the sub-millimeter emission observed from NGC 1068. At higher energies, gamma rays can occur via $pp$ processes from a shock where an outgoing wind impacts the obscuring torus, along with some observable GHz-band emission. Tests and implications of this model are discussed. Neutrinos and gamma rays may offer unique probes of AGN wind launching sites, particularly for objects obscured in other forms of radiation.

研究动机与目标

• 通过活动星系核风中的质子加速，解释来自NGC 1068——一个被遮挡的塞弗特星系——的高能中微子与伽马射线。
• 在单一、物理自洽的模型中，解决同时解释TeV中微子与GeV伽马射线的挑战。
• 探讨失败的、由线驱动的风以及风-环形盘相互作用作为粒子加速与非热辐射的场所。
• 评估$p\gamma$-级联与$pp$过程发射作为遮挡型活动星系核中多波段辐射的潜在来源的可行性。

提出的方法

• 模拟宽张角活动星系核风中的扩散性激波特加速度（DSA），其激波特速低于局部逃逸速度，有利于粒子约束。
• 计算$p\gamma$-相互作用截面及$\gamma\gamma$-对产生引发的级联发射，包含MeV以上能量的$\gamma\gamma$-衰减。
• 评估风与遮挡环形盘碰撞激波中$pp$过程产生的伽马射线。
• 考虑电子-正电子对级联在射电至GeV波段的贡献，计入$\gamma\gamma$-光学厚度。
• 将模型预测与冰立方中微子数据及费米-LAT对NGC 1068的伽马射线观测进行比较。
• 使用解析估算与比例定律，评估亚秒差距尺度风区与千秒差距尺度环形盘相互作用的辐射特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 低速活动星系核风中产生的$p\gamma$-诱导级联发射，能否解释NGC 1068中观测到的TeV中微子？
• RQ2 $p\gamma$-级联发射在多大程度上可贡献于费米-LAT探测到的亚GeV伽马射线？
• RQ3 风-环形盘激波中的$pp$过程能否解释NGC 1068中更高能段的伽马射线？
• RQ4 $\gamma\gamma$-衰减如何影响级联发射？其在GeV波段是否仍能产生可观测发射？
• RQ5 观测到的多波段辐射是否与失败的、线驱动风模型一致，而非标准喷流或冕状体辐射模型？

主要发现

• NGC 1068中观测到的TeV中微子可被低速风中质子经$p\gamma$-级联发射一致解释，该风的激波特速低于局部逃逸速度。
• $p\gamma$-级联发射显著贡献于费米-LAT探测到的亚GeV伽马射线，即使在数MeV以上存在$\gamma\gamma$-衰减。
• NGC 1068中更高能段的伽马射线极有可能由风撞击遮挡环形盘的激波中发生的$pp$过程产生。
• 该模型预测同一$pp$过程激波区域可产生可观测的射电辐射，为该场景提供多波段检验。
• 该模型与NGC 1068中缺乏强X射线或紫外风特征一致，因风被遮挡且可能无法有效逃逸。
• 该框架为射电宁静、遮挡型活动星系核中高能辐射提供了一种可行的替代模型，优于传统的冕状体或喷流模型。