[论文解读] Hard X-ray emission from blazars associated with high-energy neutrinos

A. V. Plavin, R. Burenin+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 1, 2023

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 78被引用 4

一句话总结

本研究发现耀变体中能量≥10 keV的硬X射线辐射与冰立方探测到的高能中微子之间存在强烈的观测相关性，表明喷流区域的X射线作为质子-光子相互作用的靶光子，产生中微子。结果表明，中微子产生于紧凑的、相对论性束流状喷流中，硬X射线通过同步辐射自康普顿过程追踪了中微子生成的位置。

ABSTRACT

Bright blazars were found to be prominent neutrino sources, and a number of IceCube events were associated with them. Evaluating high-energy photon emission of such blazars is crucial for better understanding of the processes and regions where neutrinos are produced. Here, we focus on hard X-ray emission observed by the SRG/ART-XC telescope, by the Swift/BAT imager, and by the INTEGRAL/IBIS telescope. Their energy range ~10 keV is well-suited for probing photons that potentially participate in neutrino production by interacting with ultrarelativistic protons. We find that neutrino-associated blazars tend to demonstrate remarkably strong X-ray emission compared to other VLBI blazars in the sky. Both neutrinos and hard X-rays are found to come from blazars at cosmological distances z ~ 1, and are boosted by relativistic beaming that makes it possible to detect them on Earth. Our results suggest that neutrinos are produced within compact blazar jets, with target X-ray photons emitted from accelerated jet regions.

研究动机与目标

• 研究耀变体中硬X射线辐射与冰立方探测到的高能中微子之间的关联。
• 确定硬X射线（≥10 keV）是否在物理上与中微子产生相关，特别是作为pγ相互作用中靶光子的角色。
• 利用X射线和射电数据作为示踪，评估耀变体中多普勒增强的相对论性喷流是否为中微子产生区域。
• 评估X射线辐射是否可作为中微子产生过程的直接电磁代理。
• 通过比较X射线通量与中微子到达方向和能量，约束中微子产生模型。

提出的方法

• 利用SRG/ART-XC、Swift/BAT和INTEGRAL/IBIS的全天X射线星表（覆盖硬X射线波段，≥10 keV），以及ROSAT的软X射线数据。
• 将这些X射线源与冰立方高能中微子事件（E > 200 TeV）及具有紧凑、射电明亮核心的VLBI选定耀变体进行交叉相关。
• 应用统计检验评估中微子误差区域与X射线发射耀变体之间空间重合的显著性，计算出偶然重合概率为p = 0.5%。
• 利用相对论性运动学（E′_p ≈ 20E′_ν 和 E′_p E′_γ ≈ m²_Δ）估算产生TeV量级中微子所需的靶光子能量。
• 聚焦于宇宙学红移z ~ 1的耀变体，因为在此红移下，相对论性束流可增强X射线和中微子的可探测性。
• 评估X射线通量与中微子产生率之间的相关性，支持靶光子起源于喷流内部而非外部区域（如吸积盘）的模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 耀变体中硬X射线辐射与冰立方探测到的高能中微子事件之间是否存在显著的空间相关性？
• RQ2 与其它VLBI选定的耀变体相比，与中微子相关的耀变体是否表现出更强的硬X射线辐射？
• RQ3 硬X射线能否作为中微子产生过程中pγ相互作用所依赖的靶光子群体的物理示踪？
• RQ4 观测到的X射线辐射是否与来自宇宙距离（z ~ 1）的紧凑相对论性喷流的多普勒增强发射一致，且是否支持中微子的喷流起源？
• RQ5 观测到的X射线通量与中微子能量是否支持同步辐射自康普顿（SSC）模型作为靶光子的来源？

主要发现

• 与中微子相关的耀变体表现出显著更强的硬X射线辐射（≥10 keV），相较于其它VLBI选定的耀变体，偶然重合概率仅为0.5%。
• 硬X射线辐射与冰立方中微子事件之间存在强烈相关性，而软X射线（≤1 keV）则无此相关性。
• 观测到的X射线通量与来自宇宙学距离（z ~ 1）的紧凑、相对论性喷流的多普勒增强发射一致。
• 结果支持一种情景：pγ相互作用的靶光子产生于喷流内部，可能通过同步辐射自康普顿（SSC）过程实现。
• 具有强毫角秒尺度射电发射（通过VLBI测量）的耀变体更可能与高能中微子相关，表明相对论性束流增强了X射线和中微子的可探测性。
• 研究结果表明，硬X射线监测可作为识别潜在高能中微子源的预测工具。