[论文解读] A model for microquasars of Population III

Pablo Sotomayor Checa, Gustavo E. Romero|arXiv (Cornell University)|Jun 12, 2019

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 62被引用 4

一句话总结

本文提出了一种用于第三星族微类星体的轻子-强子模型，其中超爱丁顿吸积盘驱动辐射压风，而相对论喷流产生非热辐射。该模型预测这些系统会发射强烈的紫外辐射和高能宇宙射线，由相对论质子和电子引发的电磁级联反应显著促进了红移 z ≈ 10 时的星系际介质再电离。

ABSTRACT

Current simulations indicate that the first stars were formed predominantly in binary systems. The study of the contribution of the first accreting binary systems to the reionization and heating of the intergalactic medium requires the formulation of a concrete model for microquasars of Population III. We aim at constructing a complete model for microquasars where the donor star is of Population III. We consider that the mas-loss of the star is caused exclusively by the spill of matter through the Roche lobe towards the black hole. We calculate the spectral energy distribution of the radiation produced by the accretion disk, the radiation-pressure driven wind, and the relativistic particles in the jets, within the framework of a lepto-hadronic model. In addition, we estimate the impact on the reionization by the first microquasars. We determine that Population III microquasars are powerful sources of ultraviolet radiation produced by the winds of their super-critical disks, and generate a broadband non-thermal emission in jets. Our results indicate that microquasars in the early Universe could have been important for the reionization and heating of the intergalactic medium.

研究动机与目标

• 开发一个针对具有第三星族伴星的微类星体的完整物理模型，这些系统因零金属丰度而与银河系微类星体不同。
• 量化这些系统在宇宙黑暗时期对星系际介质（IGM）再电离和加热的贡献。
• 估算早期宇宙中吸积盘和相对论喷流产生的高能辐射与宇宙射线。
• 评估由相对论质子和电子引发的电磁级联反应在电离星系际介质中的作用。

提出的方法

• 该模型假设质量转移通过洛希瓣溢出以超爱丁顿速率进行，导致吸积盘产生辐射压驱动的风。
• 采用轻子-强子框架，计算喷流中相对论电子和质子与周围辐射场及磁场相互作用产生的非热辐射。
• 对喷流的四个不同区域进行建模：内加速区、弓形激波区、包层区和再约束区，每个区域均对粒子加速和辐射有贡献。
• 考虑了光子-光子湮灭（γγ-湮灭）过程，针对内部和外部目标（尤其是宇宙微波背景辐射），以校正高能谱的抑制效应。
• 该模型计算了吸积盘辐射、风辐射和喷流辐射的能谱分布，包括逆康普顿散射和π介子衰变过程。
• 采用宇宙学红移 z = 10 以模拟早期宇宙的条件。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有第三星族伴星的微类星体是否能产生足够的紫外辐射和高能辐射，以对星系际介质再电离产生贡献？
• RQ2 内部和外部光子-光子湮灭过程如何影响这些系统高能伽马射线的可观测性？
• RQ3 由星系际介质中相对论质子和电子引发的电磁级联反应在电离过程中所起的作用有多大？
• RQ4 来自超爱丁顿吸积盘的辐射压驱动风在周围环境紫外再电离中扮演何种角色？
• RQ5 第三星族微类星体中的喷流特性与粒子加速机制与银河系微类星体有何不同？

主要发现

• 第三星族微类星体主要通过其辐射压驱动的风发射强烈的紫外辐射，可电离周围星际介质。
• 吸积盘产生能量高达 ~10 keV 的X射线光子，但这些光子在致密风中显著衰减，导致吸积盘内区的高能辐射被抑制。
• 内部 γγ-湮灭在喷流最内区抑制了MeV以上能量的高能辐射，表明在紧凑源内存在强烈的吸收。
• 终端喷流区的相对论质子通过光致强子反应引发电磁级联反应，产生次级电子-正电子对和光子，可电离星系际介质。
• 该模型预测了高能宇宙射线和高能中微子的显著产生，特别是来自喷流中中子衰变的中微子，未来望远镜可能探测到。
• 由星系际介质中相对论轻子和质子引发的电磁级联反应，以宇宙微波背景辐射为主要光子靶，是实现远距离再电离的有前途机制。