[论文解读] Electromagnetic Cascade Emission from Neutrino-Coincident Tidal Disruption Events

Chengchao Yuan, Walter Winter|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 5被引用 1

一句话总结

本文通过求解中微子共发潮汐瓦解事件（TDEs）AT2019dsg 和 AT2019fdr 中的粒子相互作用时间依赖输运方程，对电磁（EM）级联发射进行建模。研究发现，费米γ射线上限限制了辐射区尺寸和质子最大能量，预测每TDE中中微子事件少于0.1个，若pγ相互作用效率高，EM级联在X射线波段可能被探测到。

ABSTRACT

The potential association between Tidal Disruption Events (TDEs) and high-energy astrophysical neutrinos implies the acceleration of cosmic rays. These accelerated particles will initiate electromagnetic (EM) cascades spanning from keV to GeV energies by the processes related to neutrino production. We model the EM cascade and neutrino emissions by numerically solving the time-dependent transport equations and discuss the implications for AT2019dsg and AT2019fdr in the X-ray and $\gamma$-ray bands. We show that the $\gamma$-ray constraints from \emph{Fermi} can constrain the size of the radiation zone and the maximum energy of injected protons, and that the corresponding expected neutrino event numbers in follow-up searches are limited to be less than about 0.1. Depending on the efficiency of $p\gamma$ interactions, the X-ray and $\gamma$-ray signals can be expected closer to the peak of the optical-ultraviolet (OUV) luminosity, or to the time of the neutrino production.

研究动机与目标

• 通过建模粒子相互作用产生的电磁级联发射，研究高能中微子与TDE之间的关联。
• 确定EM级联在TDE中的时间依赖行为，特别是与中微子产生及观测到的X射线/γ射线辐射的关系。
• 利用费米γ射线上限和中微子事件率，约束源参数（如辐射区尺寸和质子最大能量）。
• 评估AT2019dsg和AT2019fdr等TDE中EM级联信号在X射线和γ射线波段的可探测性。
• 为利用EM级联与中微子发射的协同轻子-强子建模，提供TDE多信使研究的模板。

提出的方法

• 数值求解TDE辐射区内pγ相互作用产生的次级粒子（e±, γ, π±, π0）的时间依赖输运方程。
• 建模电磁级联过程，包括电子/正电子同步辐射和逆康普顿辐射、γγ消光，以及π介子/μ子衰变。
• 以pγ相互作用率作为EM级联发展 timescale 的代理，理由是次级过程速率远快于pγ相互作用。
• 对不同TDE应用M-IR、M-OUV和M-X情景，变化主导pγ相互作用的光子场（红外、UV/光学、X射线）。
• 将模型预测与观测数据对比：X射线光曲线（Swift-XRT、XMM-Newton、NICER）、费米γ射线上限，以及IceCube中微子事件时间。
• 通过广义后续搜索（GFU）评估中微子事件率，在模型约束下估计每TDE预期事件数少于0.1个。

实验结果

研究问题

• RQ1 TDE中的电磁级联发射如何随时间演化，其与观测到的中微子产生 timescale 的关系如何？
• RQ2 费米γ射线上限对TDE中辐射区尺寸和注入质子最大能量有何约束？
• RQ3 对于中微子共发TDE如AT2019dsg和AT2019fdr，能否探测到X射线或γ射线波段的EM级联发射？
• RQ4 O所在峰值与中微子探测之间的时间延迟在多大程度上可由pγ相互作用 timescale 解释？
• RQ5 不同光子场（红外、UV/光学、X射线）如何影响EM级联和中微子产生的效率与时间？

主要发现

• 费米γ射线上限表明辐射区必须为pγ光学薄，限制源的最大质子能量为~10^18–10^19 eV，适用于AT2019dsg和AT2019fdr。
• 每个TDE的预测中微子事件率低于0.1，与广义后续搜索中未发现显著探测结果一致。
• AT2019dsg中OUV峰值后约100天的X射线发射可用M-IR情景下的EM级联发射解释，表明可能被Swift-XRT、XMM-Newton和NICER探测到。
• 在M-IR情景中，OUV峰值与中微子探测之间的时间延迟可完全归因于pγ相互作用 timescale，支持级联发展与中微子产生之间存在因果关联。
• μ子和π介子衰变、同步辐射及逆康普顿辐射等次级过程发生 timescale 远快于pγ相互作用，验证了以pγ速率作为级联发展 timescale 的合理性。
• 该模型为多信使TDE研究提供了可行模板，通过EM级联与中微子发射的协同轻子-强子建模，适用于喷流型和准各向同性TDE。