[论文解读] Dissecting the broadband emission from γ-ray blazar PKS 0735+178 in search of neutrinos

Raj Prince, Saikat Das+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 16, 2023

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 44被引用 4

一句话总结

本研究在多波段耀发期间，对γ射线耀变体PKS 0735+178的超宽带谱能量分布（SED）进行建模，采用包含外部光子场的一 zone 切仑科夫-强子模型，引入光致强子（pγ）相互作用，以解释潜在的中微子关联。模型预测在IceCube中每100天的中微子事件率为0.12，该结果受次级电子产生的X射线辐射约束，尽管整体通量水平较低，但发现X射线与中微子通量之间存在合理的相关性。

ABSTRACT

The origin of the diffuse flux of TeV-PeV astrophysical neutrinos is still unknown. The $γ$-ray blazar PKS 0735+178, located outside the 90\% localization region at 2.2 deg from the best-fit IC-211208A event, was found to be flaring across all wavebands. In addition to leptonic synchrotron (SYN) and synchrotron self-Compton (SSC) emission, we invoke photohadronic ($pγ$) interactions inside the jet to model the spectral energy distribution (SED) and neutrino emission. We analyze the 100 days $γ$-ray and X-ray data and 10 days around the neutrino event is chosen to generate the broadband SED. The temporal light curve indicates that the source was in a high state in optical, UV, $γ$-ray, and X-ray frequencies during the neutrino detection epoch. In the one-zone lepto-hadronic model, the SSC photons do not provide enough seed photons for $pγ$ interactions to explain the neutrino event. However, including an external photon field yields a neutrino event rate of 0.12 in 100 days, for the IceCube detector, using physically motivated values of the magnetic field, an external photon field peaking at optical wavelength, and other jet parameters. The radiation from secondary electrons at X-ray energies severely constrains the neutrino flux to a lower value than found in previous studies. Moreover, the flux of high-energy $γ$-rays at GeV energies from the decay of neutral pions is subdominant at the high-energy peak of the SED, suggesting a higher correlation of neutrinos flux with X-ray flux is plausible.

研究动机与目标

• 通过建模γ射线、X射线、紫外和光学波段的超宽带发射，探究IceCube中微子事件IC-211208A（位于PKS 0735+178方向2.2°内）的起源。
• 确定在标准一 zone SSC模型中种子光子不足的情况下，喷流内光致强子（pγ）相互作用是否能解释观测到的中微子事件。
• 通过包含pγ相互作用中产生的次级电子辐射（尤其在X射线波段），对中微子通量进行约束。
• 评估该耀变体作为弥散高能中微子背景源的可行性，考虑喷流功率与外部光子场的需求。

提出的方法

• 采用一 zone 切仑科夫-强子模型拟合PKS 0735+178在100天耀发期间的超宽带SED，包含同步辐射（SYN）、同步辐射自康普顿（SSC）和外部康普顿（EC）发射成分。
• 将光致强子（pγ）相互作用作为高能中微子产生的主要机制，种子光子由峰值位于光学波段的外部黑体场提供。
• 模型中包含pγ相互作用产生的次级电子辐射，其在X射线波段的贡献显著影响并约束了允许的中微子通量。
• 利用观测数据与物理解析检查，对喷流参数（如磁场、尺寸、整体洛伦兹因子及质子注入谱）进行约束。
• 基于推导出的中微子通量，假设IC-211208A事件周围为100天观测窗口，计算IceCube探测器的中微子事件率。
• 通过X射线通量约束检验模型，该约束因次级电子辐射而限制了最大允许的中微子通量。

实验结果

研究问题

• RQ1 在标准SSC模型中种子光子不足的情况下，PKS 0735+178喷流中的光致强子（pγ）相互作用是否能解释IceCube中微子事件IC-211208A？
• RQ2 为实现pγ相互作用并产生可探测的中微子通量，所需的外部光子场（以光度与峰值能量表示）为何种参数？
• RQ3 pγ相互作用中产生的次级电子在X射线波段的辐射如何约束模型中最大允许的中微子通量？
• RQ4 PKS 0735+178预测的中微子通量是否与IceCube的探测灵敏度及背景水平一致？
• RQ5 该模型中X射线与中微子通量之间的预测相关性如何？与观测数据相比有何差异？

主要发现

• 在光学波段峰值为8.3 eV的外部光子场存在下，pγ相互作用被激发，使IceCube中微子事件率预测为每100天0.12次，与观测事件率一致。
• pγ相互作用中产生的次级电子辐射在X射线波段产生显著发射，严重限制了允许的中微子通量，使其低于先前估计值。
• 所需喷流功率（6.3×10⁴⁷ erg/s）超过质量为10⁸.⁸ M☉的黑洞的爱丁顿光度（1.2×10⁴⁶ erg/s），表明存在极端物理条件。
• 中性π介子衰变产生的高能γ射线在SED高能峰处为次主导成分，表明X射线与中微子通量之间的相关性强于γ射线与中微子通量之间的相关性。
• 模型预测的中微子通量虽低于IceCube的探测灵敏度，但与观测事件率及多波段约束一致，具有合理性。
• 本研究证实，在此情景下X射线通量是中微子发射的更可靠代理，原因在于次级电子的贡献。