[论文解读] Gamma-ray emission and spectral evolution of pair plasmas in AGN jets

Markus Boettcher, H. Mause+1 more|ArXiv.org|Apr 1, 1996

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 14

一句话总结

该论文为活动星系核喷流中极端相对论性电子-正电子对喷流的伽马射线和X射线辐射构建了一个自洽模型，考虑了逆康普顿散射中的克莱因-尼什纳效应。结果表明，在像Mrk 421这样的耀变体中，外部逆康普顿（EIC）散射主导了GeV–TeV波段的辐射，耀发状态可通过注入对的最高洛伦兹因子增加来解释，其时间积分谱与包括星际红外背景引起的TeV吸收在内的多波段观测一致。

ABSTRACT

The evolution of the particle distribution functions inside a relativistic jet containing an e^-e^+ pair plasma and of the resulting $γ$-ray and X-ray spectra is investigated. The first phase of this evolution is governed by heavy radiative energy losses. For this phase, approximative expressions for the energy-loss rates due to inverse-Compton scattering, using the full Klein-Nishina cross section, are given as one-dimensional integrals for both cooling by inverse-Compton scattering of synchrotron photons (SSC) and of accretion disk photons (EIC). We calculate instantaneous and time-integrated $γ$-ray spectra emitted by such a jet for various sets of parameters, deducing some general implications on the observable broadband radiation. Finally, we present model fits to the broadband spectrum of Mrk 421. We find that the most plausible way to explain both the quiescent and the flaring state of Mrk 421 consists of a model where EIC and SSC dominate the observed spectrum in different frequency bands. In our model the flaring state is primarily related to an increase of the maximum Lorentz factor of the injected pairs.

研究动机与目标

• 建模活动星系核喷流中超相对论性对喷流的谱演化，重点研究通过逆康普顿散射的辐射冷却。
• 在高能区考虑同步辐射自康普顿（SSC）和外部逆康普顿（EIC）过程中的克莱因-尼什纳效应，特别是高能区的影响。
• 计算与活动星系核喷流多波段观测（如Mrk 421）一致的时间积分伽马射线和X射线谱。
• 确定相对论性喷流高能辐射中SSC与EIC的主导辐射机制。
• 通过注入对的最高洛伦兹因子的变化，解释Mrk 421的平静与耀发状态。

提出的方法

• 利用完整的克莱因-尼什纳截面，推导出逆康普顿散射能量损失率的近似表达式，将SSC和EIC过程均表示为一维积分形式。
• 求解带电粒子相空间密度各向同性部分的动能扩散-对流方程，包含动量扩散、能量损失和对流项。
• 自洽地追踪在辐射冷却下电子/正电子能量分布的演化，每一步时间均更新同步辐射、SSC和外部辐射场。
• 通过对随时间演化的粒子分布函数进行积分，计算瞬时和时间积分的伽马射线谱。
• 使用数值代码模拟谱演化，整合了时间依赖的辐射场以及散射截面的克莱因-尼什纳抑制效应。
• 将该模型应用于拟合Mrk 421的多波段谱，将平静与耀发状态与包括HEGRA和Whipple测量在内的观测数据进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在活动星系核喷流的超相对论性对喷流中，主导的辐射冷却机制是SSC还是EIC？
• RQ2 克莱因-尼什纳效应如何改变逆康普顿辐射谱，特别是在EIC和SSC区域？
• RQ3 冷却对喷流的时间积分谱能否再现Mrk 421在平静与耀发状态下的观测多波段辐射？
• RQ4 为解释Mrk 421的耀发状态，注入参数（如最大洛伦兹因子、磁场）需要发生何种变化？
• RQ5 星际红外背景辐射如何影响观测到的TeV谱？该模型能否再现HEGRA的通量水平？

主要发现

• 在像Mrk 421这样的耀变体中，由于SSC过程受到更强的克莱因-尼什纳抑制，外部逆康普顿（EIC）过程主导了GeV–TeV波段的辐射，尤其在耀发状态中。
• 若SSC主导，则冷却对喷流的时间积分谱会过高预测硬X射线通量，这支持EIC作为高能辐射的主要机制。
• 采用最大洛伦兹因子γ₁ = 8×10³和γ₂ = 7×10⁵、磁场B = 0.08 G的模型，能很好地拟合Mrk 421的耀发状态。
• 同步辐射的低能截止由拉辛-茨亚托维奇效应决定，而非同步辐射自吸收，尤其在致密喷流中更为显著。
• 模型预测注入高度zᵢ ≈ 10⁻² pc，远在TeV伽马射线光子球之外，与观测到的透明性一致。
• 对HEGRA通量的拟合结果与高、低TeV状态之间5%的占空比一致，符合观测估计。