[论文解读] "Flat" broad line region and gamma-ray absorption in blazars

F. Tavecchio, G. Ghisellini|arXiv (Cornell University)|Sep 11, 2012

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 5被引用 15

一句话总结

本文研究了在扁平（盘状）宽线区（BLR）几何结构下，扁谱射电类星体（FSRQ）中通过γγ → e⁺e⁻过程产生的γ射线吸收效应。利用CLOUDY模拟的BLR谱和能量依赖的光学厚度τ(E)模型，发现即使在盘状BLR（α ≈ 25°）情况下，若辐射发生在BLR内部，仍会在数十GeV以上能量产生强烈的吸收（τ > 1），这意味着甚高能（VHE）γ射线的探测要求辐射必须发生在BLR之外，无论几何形态如何。

ABSTRACT

We study the impact of the geometry of the broad line region (BLR) on the expected absorption, through the γγ ightarrow e^{\pm} process, of gamma rays produced in the relativistic jet of flat spectrum radio quasars (FSRQ). We consider "flat" (or "disky") BLR models, and use BLR spectra calculated with the photoionization code CLOUDY, already used to investigate the emission and the absorption of high-energy photons in FSRQ. We characterize the energy-dependent optical depth of the process, τ(E), for different accretion disk luminosities, aperture angles of the BLR (α, as measured from the equatorial plane), and initial injection eighths of the high-energy photons, $R_{ m o}$. We study in particular how the change of these parameters influences the spectral break at GeV energies, predicted if the emission occurs within the BLR. We found a well defined relation between the break energy and the post-break slope, both uniquely determined by α. We finally find that even a rather disk-like BLR (α\sim 25^\circ) corresponds to important absorption (τ>1) of photons above few tens of GeV produced within the BLR. We therefore conclude that the VHE emission detected from FSRQs occurs beyond the BLR.

研究动机与目标

• 评估扁平BLR几何结构对FSRQ中γ射线不透明性的影响。
• 确定盘状BLR是否相比球形模型可减少吸收。
• 研究BLR几何结构如何影响γ射线谱中的GeV能谱拐点及拐点后谱指数。
• 检验在扁平几何结构下，FSRQ中观测到的VHE γ射线辐射是否可与BLR内部辐射相容。
• 探讨对FSRQ中γ射线辐射区域位置的启示。

提出的方法

• 使用光致电离代码CLOUDY，针对不同吸积盘光度和BLR张角α，模拟BLR的光谱能量分布。
• 计算γγ → e⁺e⁻过程中能量依赖的γ射线光学厚度τ(E)，并考虑相对论性光束效应和光子运动学。
• 改变辐射源位置距离Ro相对于BLR半径RBLR，以评估位置相关的吸收效应。
• 分析拐点能量和拐点后谱指数ΔΓ随α和Ro的变化，以探测几何影响。
• 在球形（α = 90°）和扁平（α = 60°, 30°）几何结构之间比较结果，以分离几何效应。
• 利用HeII线阈值（≈10–20 GeV）作为诊断工具，识别由吸收引起的谱特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 扁平BLR几何结构如何影响FSRQ中γ射线光学厚度τ(E)？
• RQ2 若辐射发生在BLR内部，盘状BLR（α ≈ 25°）是否能减少γ射线吸收至足够低，以允许探测到VHE辐射？
• RQ3 GeV谱中的拐点能量与BLR张角α之间存在何种关系？
• RQ4 拐点后谱指数ΔΓ如何依赖于α和辐射源位置Ro？
• RQ5 即使在扁平几何结构下，FSRQ中观测到的VHE γ射线辐射是否仍要求辐射区域位于BLR之外？

主要发现

• 即使BLR张角α ≈ 25°的盘状BLR，若辐射发生在BLR内部，仍会在数十GeV以上能量产生强烈的γ射线吸收（τ > 1）。
• γ射线谱的拐点能量依赖于BLR张角α，α越小，由于正面对撞概率降低，拐点能量发生偏移。
• 拐点能量与拐点后谱指数ΔΓ之间存在明确关系，二者均由α唯一决定。
• 当Ro < RBLR时，所有考虑的几何结构和光度下，E > 50 GeV能量段τ > 1，表明存在强不透明性。
• 仅当Ro ≳ RBLR（即辐射发生在BLR之外）时，τ才降至1以下，与FSRQ中VHE γ射线的探测结果一致。
• 结果表明，即使在最有利的扁平几何假设下，FSRQ中的VHE γ射线辐射也必须起源于BLR之外。