[论文解读] VHE Emission from Magnetic Reconnection in the RIAF of SgrA*

J. C. Rodrı́guez-Ramı́rez, E. M. de Gouveia Dal Pino+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 11, 2019

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 9被引用 8

一句话总结

本文研究了人马座A*的辐射效率低下吸积流（RIAF）中，通过湍流磁重联加速的宇宙射线（CRs）产生的甚高能（VHE）伽马射线辐射。利用广义相对论磁流体动力学（GRMHD）模拟和CRPropa 3蒙特卡洛模拟，该研究预测在吸积率≥10⁻⁷ M⊙ yr⁻¹时，VHE通量与H.E.S.S.的上限一致，未来可能被切伦科夫望远镜阵列（CTA）探测到，而中微子通量则与IceCube探测到的弥漫中微子背景相比可忽略不计。

ABSTRACT

The cosmic-ray (CR) accelerator at the galactic centre (GC) is not yet established by current observations. Here we investigate the radiative-inefficient accretion flow (RIAF) of Sagittarius A* (SgrA*) as a CR accelerator assuming acceleration by turbulent magnetic reconnection, and derive possible emission fluxes of CRs interacting within the RIAF (the central $\sim10^{13}$cm). The target environment of the RIAF is modelled with numerical, general relativistic magneto-hydrodynamics (GRMHD) together with leptonic radiative transfer simulations. The acceleration of the CRs is not computed here. Instead, we inject CRs constrained by the magnetic reconnection power of the accretion flow and compute the emission/absorption of $γ$-rays due to these CRs interacting with the RIAF, through Monte Carlo simulations employing the { t CRPropa 3} code. The resulting very-high-energy (VHE) fluxes are not expected to reproduce the point source HESS J1745-290 as the emission of this source is most likely produced at pc scales. The emission profiles derived here intend to trace the VHE signatures of the RIAF as a CR accelerator and provide predictions for observations of the GC with improved angular resolution and differential flux sensitivity as those of the forthcoming Cherenkov Telescope Array (CTA). Within the scenario presented here, we find that for mass accretion rates $\gtrsim 10^{-7}$M$_\odot$yr$^{-1}$, the RIAF of SgrA* produces VHE fluxes which are consistent with the H.E.S.S. upper limits for the GC and potentially observable by the future CTA. The associated neutrino fluxes are negligible compared with the diffuse neutrino emission measured by the IceCube.

研究动机与目标

• 探索SgrA*的RIAF作为通过湍流磁重联加速宇宙射线的机制。
• 利用真实的GRMHD和辐射转移模拟，建模RIAF内宇宙射线相互作用产生的VHE伽马射线辐射。
• 预测RIAF中可被未来仪器（如CTA）分辨的可观测VHE通量。
• 评估SgrA* RIAF的VHE辐射是否能解释或与HESS J1745-290点源区分开。

提出的方法

• 使用广义相对论磁流体动力学（GRMHD）方法，结合HARM和GRM-Monty代码模拟RIAF环境。
• 执行轻子辐射转移模拟，以建模RIAF中的背景光子、磁场和密度场。
• 在CRPropa 3中注入CRs，假设其通过磁重联加速，且功率受RIAF重联速率的约束。
• 利用蒙特卡洛模拟计算通过p-p相互作用产生的VHE伽马射线，采用能量依赖的注入与传播模型。
• 通过统计归一化（公式A5）将模拟的CRs缩放至物理注入率，以估算物理通量。
• 计算VHE光子的径向起源，以评估在平直时空模拟中忽略广义相对论曲率效应的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 SgrA*的RIAF能否通过宇宙射线相互作用产生与当前H.E.S.S.上限一致的VHE伽马射线辐射？
• RQ2 由RIAF中磁重联加速的宇宙射线所产生的预期VHE通量特征是什么？是否可被CTA探测到？
• RQ3 RIAF中VHE光子产生在径向分布上是否表明广义相对论效应显著影响观测到的能谱分布（SED）？
• RQ4 RIAF中强子相互作用产生的次级轻子是否会产生可探测的X射线辐射，从而与观测到的平静态X射线通量相冲突？
• RQ5 预测的VHE通量与银河系中心观测到的弥漫和点源型VHE辐射相比如何？

主要发现

• 对于质量吸积率≥10⁻⁷ M⊙ yr⁻¹的情况，SgrA*的RIAF产生的VHE伽马射线通量与银河系中心的H.E.S.S.上限一致。
• 预测的VHE通量有望被切伦科夫望远镜阵列（CTA）探测到，尤其是得益于其更高的角分辨率和微分通量灵敏度。
• RIAF的辐射谱在能量≥10 TeV时达到峰值，且在模拟框架中忽略广义相对论曲率效应带来的误差极小。
• 在10至100 TeV能量范围内，VHE光子的径向起源在40 Rg内分布最为均匀，表明该能量范围的辐射对GR修正不敏感。
• RIAF产生的中微子通量与IceCube测量到的弥漫中微子背景相比可忽略不计，因此该机制不可能是高能中微子的主要来源。
• HESS J1745-290的辐射不太可能起源于RIAF，因为缺乏变异性以及X射线约束条件排除了在几个引力半径内发生强子相互作用的可能性。