[论文解读] High-Energy Neutrino and Gamma-Ray Emission from Tidal Disruption Events and Implications for AT2019dsg

Kohta Murase, Shigeo S. Kimura+3 more|arXiv (Cornell University)|May 18, 2020

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 1

一句话总结

本文提出了潮汐瓦解事件（TDEs）中高能中微子和伽马射线非喷流机制的发射模型，包括在高温冕和辐射效率低的吸积流（RIAFs）中的粒子加速，以及在亚相对论喷流和潮汐流相互作用中的粒子加速。研究发现，冕和隐藏喷流模型能够解释IceCube-191001A中微子事件，而喷流模型则不太可能解释多信使数据。

ABSTRACT

Tidal disruption events (TDE) have been considered as cosmic-ray and neutrino sources for a decade. We suggest two classes of new scenarios for high-energy multi-messenger emission from TDEs that do not have to harbor powerful jets. First, we investigate high-energy neutrino and gamma-ray production in the core region of a supermassive black hole. In particular, we show that about 1-100 TeV neutrinos and MeV gamma-rays can efficiently be produced in hot coronae around an accretion disk. We also study the consequences of particle acceleration in radiatively inefficient accretion flows (RIAFs). Second, we consider possible cosmic-ray acceleration by sub-relativistic disk-driven winds or interactions between tidal streams, and show that subsequent hadronuclear and photohadronic interactions inside the TDE debris lead to GeV-PeV neutrinos and sub-GeV cascade gamma-rays. We demonstrate that these models should be accompanied by soft gamma-rays or hard X-rays as well as optical/UV emission, which can be used for future observational tests. Although this work aims to present models of non-jetted high-energy emission, we discuss the implications of the TDE AT2019dsg that might coincide with the high-energy neutrino IceCube-191001A, by considering the corona, RIAF, hidden sub-relativistic wind, and hidden jet models. It is not yet possible to be conclusive about their physical association and the expected number of neutrinos is typically much less than unity. We find that the most optimistic cases of the corona and hidden wind models could be consistent with the observation of IceCube-191001A, whereas jet models are unlikely to explain the multi-messenger observations.

研究动机与目标

• 探索TDE中无需强大喷流的高能多信使辐射。
• 研究超大质量黑洞周围高温冕和RIAFs中粒子加速及其后续强子相互作用。
• 研究亚相对论盘驱动喷流和潮汐流相互作用中的宇宙射线加速，作为高能中微子的来源。
• 将模型预测与多信使信号（包括软伽马射线、硬X射线和光学/紫外辐射）进行对比。
• 利用非喷流发射模型评估AT2019dsg与IceCube-191001A中微子事件的物理关联性。

提出的方法

• 通过强子核子和光致强子反应，在吸积盘周围高温冕中模拟高能中微子和伽马射线的产生。
• 分析辐射效率低的吸积流（RIAFs）中的粒子加速及其产生的高能辐射。
• 模拟亚相对论盘驱动喷流和潮汐流相互作用中的宇宙射线加速，随后进行强子相互作用。
• 计算这些过程产生的中微子和伽马射线能谱，包括冕中产生的MeV伽马射线和强子相互作用产生的亚GeV级级联伽马射线。
• 将预测的多信使信号（如软伽马射线、硬X射线和光学/紫外辐射）与AT2019dsg的观测数据进行比较。
• 评估冕、RIAF、隐藏喷流和隐藏喷流模型的预期中微子通量，以评估其与IceCube-191001A的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不需要强大相对论性喷流的情况下，TDE中能否产生高能中微子和伽马射线？
• RQ2 非喷流TDE发射模型的预期多信使信号（如软伽马射线、硬X射线和光学/紫外辐射）是什么？
• RQ3 冕和RIAF模型预测的中微子通量与IceCube-191001A观测结果相比如何？
• RQ4 亚相对论喷流或潮汐流相互作用能否通过强子相互作用产生GeV–PeV能段的中微子？
• RQ5 TDE AT2019dsg是否与IceCube-191001A中微子事件存在物理关联？哪些非喷流模型最能解释观测数据？

主要发现

• 在TDE中吸积盘周围的高温冕中，1–100 TeV能段的高能中微子和MeV伽马射线可以高效产生。
• 辐射效率低的吸积流（RIAFs）也能通过粒子加速和强子相互作用成为高能中微子和伽马射线的来源。
• 亚相对论盘驱动喷流和潮汐流相互作用可通过强子核子和光致强子过程产生GeV–PeV能段的中微子和亚GeV级级联伽马射线。
• 冕和隐藏喷流模型对中微子通量的预测最为乐观，且与IceCube-191001A观测一致，尽管预期中微子数量通常小于1个。
• 由于光谱和时间特征不匹配，喷流模型不太可能解释多信使观测结果。
• 这些模型预测会伴随产生软伽马射线或硬X射线以及光学/紫外辐射，为未来观测提供了可检验的多信使信号。