[论文解读] Establishing accretion flares from massive black holes as a source of high-energy neutrinos

Sjoert van Velzen, Robert Stein+27 more|arXiv (Cornell University)|Nov 17, 2021

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 42被引用 21

一句话总结

本文确立了超大质量黑洞的吸积耀斑——包括潮汐瓦解事件和极端活动星系核耀斑——作为高能中微子的重要来源。通过在NEOWISE的红外数据中识别尘埃回声信号，作者发现三起此类耀斑与IceCube探测到的PeV量级中微子之间存在3.6σ的相关性，表明尽管总通量较低，但接近爱丁顿极限的耀斑仍能显著提高中微子产生效率。

ABSTRACT

The origin of cosmic high-energy neutrinos remains largely unexplained. For high-energy neutrino alerts from IceCube, a coincidence with time-variable emission has been seen for three different types of accreting black holes: (1) a gamma-ray flare from a blazar (TXS 0506+056), (2) an optical transient following a stellar tidal disruption event (TDE; AT2019dsg), and (3) an optical outburst from an active galactic nucleus (AGN; AT2019fdr). For the latter two sources, infrared follow-up observations revealed a powerful reverberation signal due to dust heated by the flare. This discovery motivates a systematic study of neutrino emission from all supermassive black hole with similar dust echoes. Because dust reprocessing is agnostic to the origin of the outburst, our work unifies TDEs and high-amplitude flares from AGN into a population that we dub accretion flares. Besides the two known events, we uncover a third flare that is coincident with a PeV-scale neutrino (AT2019aalc). Based solely on the optical and infrared properties, we estimate a significance of 3.6$σ$ for this association of high-energy neutrinos with three accretion flares. Our results imply that at least ~10% of the IceCube high-energy neutrino alerts could be due to accretion flares. This is surprising because the sum of the fluence of these flares is at least three orders of magnitude lower compared to the total fluence of normal AGN. It thus appears that the efficiency of high-energy neutrino production in accretion flares is increased compared to non-flaring AGN. We speculate that this can be explained by the high Eddington ratio of the flares.

研究动机与目标

• 探究超大质量黑洞的吸积耀斑是否能解释高能宇宙中微子的起源。
• 利用尘埃回声作为诊断工具，将潮汐瓦解事件和极端AGN耀斑统一于同一物理框架下。
• 测试具有红外回声的耀斑与中微子关联的统计显著性。
• 评估耀斑状态与休眠状态AGN相比，高能中微子产生效率的差异。

提出的方法

• 在ZTF光学光 light curves 中识别出具有快速上升时间和高振幅的核耀斑。
• 在NEOWISE数据中搜索延迟的红外辐射，以探测耀斑引起的尘埃回声信号。
• 将耀斑-中微子巧合定义为：中微子警报出现在光学峰值后1年内，且位于ZTF覆盖范围内。
• 使用显著性检验（3.6σ）评估具有尘埃回声的耀斑与IceCube中微子警报之间的相关性。
• 分析多波段数据（射电、X射线、伽马射线），以约束辐射机制并排除其他起源的可能性。
• 建模耀斑状态相对于休眠AGN的中微子产生效率，将效率提升与高爱丁顿比联系起来。

实验结果

研究问题

• RQ1 IceCube探测到的高能中微子警报与超大质量黑洞的光学/红外耀斑之间是否存在显著相关性？
• RQ2 NEOWISE数据中的尘埃回声信号是否可用于识别包括TDE和极端AGN爆发在内的统一耀斑群体？
• RQ3 三起特定耀斑与PeV量级中微子关联的统计显著性如何？
• RQ4 尽管总通量较低，为何耀斑状态AGN的中微子产生效率高于正常AGN？
• RQ5 耀斑的高爱丁顿比是否可解释观测到的增强中微子辐射？

主要发现

• 在三起吸积耀斑（AT2019dsg、AT2019fdr 和 AT2019aalc）与IceCube的高能中微子警报之间，发现了3.6σ的统计显著性相关性。
• 这三起耀斑在NEOWISE数据中均表现出尘埃回声信号，证实了黑洞周围0.1–1 pc处热尘埃的延迟红外辐射。
• 这些耀斑的总通量至少比正常AGN低三个数量级，却产生了显著比例的高能中微子。
• 研究结果表明，吸积耀斑中的高能中微子产生效率高于非耀斑AGN，可能归因于其高爱丁顿比。
• 三起耀斑的伽马射线上限与一种基于吸积盘的粒子加速模型一致，该模型在GeV以上能量因对产生吸收而呈现暗态。
• 结果表明，IceCube的高能中微子警报中至少约10%可能源自吸积耀斑，凸显其在宇宙中微子预算中的重要性。