[論文レビュー] X-ray Emission Properties of Large Scale Jets, Hotspots and Lobes in Active Galactic Nuclei

J. Kataoka, Ł. Stawarz|Nov 2, 2004

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、40以上の電波銀河をChandraおよびASCAで観測したデータを用いて、活発銀河核の大型ジェット、ホットスポット、ラバのX線放射を分析した。同期放射、SSC、ECモデルを比較した結果、パワーの強い源におけるX線が明るいジェット・ノードは、エネルギー等分配仮定下での予想を上回る放射率を示しており、これは磁場が等分配より低いか、あるいは非常に相対論的である流れが存在することを示唆し、標準的な逆コンプトンモデルに挑戦するものである。

ABSTRACT

We examine a systematic comparison of jet-knots, hotspots and radio lobes recently observed with Chandra and ASCA. This report will discuss the origin of their X-ray emissions and investigate the dynamics of the jets. The data was compiled at well sampled radio (5GHz) and X-ray frequencies (1keV) for more than 40 radio galaxies. We examined three models for the X-ray production: synchrotron (SYN), synchrotron self-Compton (SSC) and external Compton on CMB photons (EC). For the SYN sources -- mostly jet-knots in nearby low-luminosity radio galaxies -- X-ray photons are produced by ultrarelativistic electrons with energies 10-100 TeV that must be accelerated in situ. For the other objects, conservatively classified as SSC or EC sources, a simple formulation of calculating the ``expected'' X-ray fluxes under an equipartition hypothesis is presented. We confirmed that the observed X-ray fluxes are close to the expected ones for non-relativistic emitting plasma velocities in the case of radio lobes and majority of hotspots, whereas considerable fraction of jet-knots is too bright at X-rays to be explained in this way. We examined two possibilities to account for the discrepancy in a framework of the inverse-Compton model: (1) magnetic field is much smaller than the equipartition value, and (2) the jets are highly relativistic on kpc/Mpc scales. We concluded, that if the inverse-Compton model is the case, the X-ray bright jet-knots are most likely far from the minimum-power condition. We also briefly discuss the other possibility, namely that the observed X-ray emission from all of the jet-knots is synchrotron in origin.

研究の動機と目的

• 電波銀河の大型ジェット、ホットスポット、ラバにおけるX線放射の主因となるメカニズム（同期放射、SSC、EC）を特定すること。
• ジェット・ノード、ホットスポット、ラバにおける観測されたX線放射度が、磁場と非相対論的プラズマ速度の等分配仮定に基づく予測と一致するかどうかを評価すること。
• 放射度の乖離がジェットの力学的特性、特に一様なローレンツ因子と磁場強度に与える影響を調査すること。
• 等分配仮定下での逆コンプトンモデルが、X線が明るいジェット・ノードに対して妥当かどうかを評価すること。
• 超相対論的電子からの同期放射、または非標準的なエネルギー分布といった代替的説明を検討すること。

提案手法

• ChandraおよびASCAで観測された40以上の電波銀河について、5 GHz（電波）および1 keV（X線）の多波長データを収集した。
• 同期放射（SYN）、同期放射自己コンプトン（SSC）、外部コンプトン（EC）の3つの放射モデルを適用した。
• 磁場と相対論的粒子のエネルギー等分配仮定に基づき、予想されるX線放射度を計算した。
• ジェット・ノード、ホットスポット、ラバについて、観測されたX線放射度と等分配モデルによる予測放射度を比較した。
• 相対論的ジェットモデルとの整合性を検証するため、赤方偏移の関数としてECモデルにおける必要なドーピラー係数δを評価した。
• 高速状態下での一様なゾーン・均一放射モデルがジェット・ノードに適用可能かどうかを評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電波銀河の大型ジェット、ホットスポット、ラバにおけるX線放射の主因は、同期放射、SSC、ECのいずれか？
• RQ2 ジェット・ノード、ホットスポット、ラバからの観測X線放射度は、非相対論的プラズマ速度を仮定した等分配仮定と一致するか？
• RQ3 なぜ一部のジェット・ノードは等分配モデル下での予想を大幅に上回るX線放射度を示すのか？
• RQ4 X線が明るいジェット・ノードの放射度は、kpc/Mpcスケールで非常に相対論的であるジェットの平均ローレンツ因子（Γ ≥ 5）によって説明可能か？
• RQ5 ECモデルにおける必要なドーピラー係数δと赤方偏移zの間の観測された反比例関係は、物理的特徴であるのか、モデル仮定に起因するアーティファクトであるのか？

主な発見

• FR I型電波銀河（低放射度）の近距離源におけるジェット・ノードのX線放射は、局所的に加速された超相対論的電子（10–100 TeV）による同期放射と整合的である。
• 大多数のホットスポットおよび電波ラバでは、非相対論的プラズマ速度を仮定した等分配モデルの予測と観測X線放射度が整合的である。
• パワーの強い源における多数のジェット・ノードは、等分配仮定下での標準的逆コンプトンモデルでは説明できないほどX線が明るい。
• X線放射度の乖離は、磁場が等分配レベルより著しく低いこと、またはジェット内に非常に相対論的である流れ（Γ ≥ 5）が存在することを示唆している。
• ECモデルにおける必要なドーピラー係数δは赤方偏移と反比例する傾向を示しており、高赤方偏移源ではδが小さくなる必要がある。これは物理的差異を反映しているか、モデルの限界を示唆している可能性がある。
• FR I型の近距離源NGC 6251は例外的であり、ECモデル下でもX線放射に問題がある。これは非標準的な放射メカニズムが関与している可能性を示唆している。