[论文解读] High-energy Neutrinos from Stellar Explosions in Active Galactic Nuclei Accretion Disks

Jin-Ping Zhu, Kai Wang+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 13, 2021

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 86被引用 26

一句话总结

本文提出，当星系核（AGN）吸积盘中的恒星爆炸喷出物发生激波加热并与其致密盘物质相互作用时，可高效产生高能中微子。通过激波动力学与粒子加速模型，作者表明此类事件可能贡献高达~10%的观测到的弥散高能中微子背景，使AGN恒星爆炸成为有前景的多信使源。

ABSTRACT

Some catastrophic stellar explosions, such as supernovae (SNe), compact binary coalescences, and micro-tidal disruption events, are believed to be embedded in the accretion disks of active galactic nuclei (AGN). We show high-energy neutrinos can be produced efficiently through $pp$-interactions between shock-accelerated cosmic rays and AGN disk materials shortly after the explosion ejecta shock breaks out of the disk. AGN stellar explosions are ideal targets for joint neutrino and electromagnetic (EM) multimessenger observations. Future EM follow-up observations of neutrino bursts can help us search for yet-discovered AGN stellar explosions. We suggest that AGN stellar explosions could potentially be important astrophysical neutrino sources. The contribution from AGN stellar explosions to the observed diffuse neutrino background depends on the uncertain local event rate densities of these events in AGN disks. By considering thermonuclear SNe, core-collaspe SNe, gamma-ray burst associated SNe, kilonovae, and choked GRBs in AGN disks with known theoretical local event rate densities, we show that these events may contribute to $\lesssim10\%$ of the observed diffuse neutrino background.

研究动机与目标

• 研究AGN恒星爆炸作为高能中微子源的潜力。
• 在AGN盘环境中建立中微子产生机制的模型，特别是通过激波加速的宇宙射线。
• 估算不同类型的AGN恒星爆炸对观测到的弥散高能中微子背景的贡献。
• 评估对这些事件进行中微子与电磁波多信使联合观测的可行性。

提出的方法

• 使用Sirko & Goodman (2003)的盘结构模型，对AGN吸积盘的径向密度和标高进行建模，采用高斯垂直密度分布。
• 利用速度律 vs(h) ≈ (E₀ / (Mₑⱼ + M(h)))¹ᐟ² × (ρd(h)/ρ₀)⁻ᵘ（其中 μ ≈ 0.19）模拟激波特性的传播，追踪激波在盘中平面之上的传播。
• 通过 Lₛ = 2πρd vₛ³ h² 计算激波特性的动能光度，并通过 t(h) = ∫₀ʰ dh / vs(h) 计算激波突破时间。
• 应用费米加速机制，采用幂律谱 dnp/dϵₚ ∝ ϵₚ⁻ᑫ（q ≈ 2），并通过质子在弹性pp反应与绝热冷却之间的竞争关系估算最大质子能量。
• 利用弥散通量积分 E²Φν = (c / 4πH₀) ∫₀ᶻᵐᵃˣ R₀f(z)ϵ²νφν(ϵν) / (1 + z)²√[Ωₘ(1 + z)³ + Ωₗ] dz 估算中微子通量，其中采用Planck的宇宙学参数。
• 对每类爆炸模拟1×10⁶个事件，以在不同红移演化模型下估算探测率与弥散通量贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 高能中微子是否可通过激波加速的宇宙射线与AGN盘物质之间的相互作用，在AGN吸积盘中高效产生？
• RQ2 不同类型的AGN恒星爆炸（如Ia型超新星、核心塌缩超新星、千新星、伽马射线暴）的预期中微子通量与持续时间为何？
• RQ3 AGN恒星爆炸预测的中微子通量与观测到的弥散高能中微子背景相比如何？
• RQ4 盘风、宽线区云团或盘内空腔在延长中微子发射时间与增强通量方面发挥何种作用？

主要发现

• 通过激波加速的宇宙射线与致密AGN盘物质之间的pp相互作用，可高效产生高能中微子，最大质子能量可达~94 TeV（pp限制情形）与~1.7×10⁵ TeV（绝热限制情形）。
• 最大中微子能量受质子加速与冷却（pp非弹性反应或绝热损失）之间竞争关系限制，后者在更高激波高度处产生更高的能量上限。
• 对于质量为10⁷ M⊙的SMBH，在r = 10³ rS处，最大中微子能量约为9.4×10³ TeV；在r = 10⁴ rS处则达到约1.7×10³ TeV，具体取决于盘密度与激波速度。
• AGN恒星爆炸产生的弥散中微子通量估计可贡献不超过10%的观测到的天体物理弥散中微子背景，其中Ia型超新星与长基伽马射线暴（LGRBs）是所研究类型中主要贡献者。
• 探测率模拟显示，Ia型超新星、LGRBs与核心塌缩超新星在类似IceCube的探测器中每年可能分别产生最多约0.2、约0.2与约0.03次探测。
• 盘风、BLR云团或低密度空腔的存在可能增强中微子通量并延长发射时间，从而可能使总弥散贡献超过当前估算。