[论文解读] Low power BL Lacertae objects and the blazar sequence: Clues on the particle acceleration process

G. Ghisellini, A. Celotti+1 more|ArXiv.org|Feb 20, 2002

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 34被引用 72

一句话总结

本文通过表明低功率BL Lac对象需要有限的粒子注入 timescale 才能解释其极端高能 SED 峰，扩展了耀变体序列模型。该模型揭示了两阶段粒子加速过程——预加热平衡冷却，随后为快速激波式加速——导致在高能区出现 $γ_{\text{peak}} \propto U^{-1}$ 的标度关系，偏离了高光度耀变体中的 $U^{-0.6}$ 趋势。

ABSTRACT

The spectral properties of blazars seem to follow a phenomenological sequence according to the source luminosity. By inferring the source physical parameters through (necessarily) modeling the blazar spectra, we have previously proposed that the sequence arises because the particles responsible for most of the emission suffer increasing radiative losses as the luminosity increases. Here we extend those results by considering the widest possible range of blazar spectral properties. We find a new important ingredient for shaping the spectra of the lowest power objects, namely the role of a finite timescale for the injection of relativistic particles. Only high energy particles radiatively cool in such timescale leading to a break in the particle distribution: particles with this break energy are those emitting most of the power, and this gives raise to a link between blazar spectra and total energy density inside the source, which controls the cooling timescale. The emerging picture requires two phases for the particle acceleration: a first pre-heating phase in which particles reach a characteristic energy as the result of balancing heating and radiative cooling, and a more rapid acceleration phase which further accelerate these particles to form a power law distribution. While in agreement with standard shock theory, this scenario also agrees with the idea that the luminosity of blazars is produced through internal shocks, which naturally lead to shocks lasting for a finite time.

研究动机与目标

• 将耀变体序列模型扩展至低功率BL Lac对象，这些对象因观测偏倚而在以往研究中代表性不足。
• 研究极端高能峰源的光谱能量分布（SED），包括同步辐射峰位于100 keV以上的TeV探测BL Lac对象。
• 确定既有的 $\gamma_{\text{peak}} \propto U^{-0.6}$ 关系是否在高 $\gamma_{\text{peak}}$ 时失效，表明存在新的物理机制。
• 探讨有限粒子注入 timescale 在塑造低光度耀变体中粒子能量分布与SED中的作用。
• 检验两阶段加速机制（预加热后接快速加速）是否能解释观测到的SED与光谱趋势。

提出的方法

• 使用与G98一致的均匀同步辐射加逆康普顿辐射发射模型，对低功率BL Lac对象的SED进行建模。
• 引入相对论性粒子注入的有限 timescale，导致在 $\gamma_{\text{c}}$ 处出现粒子分布的截断，其中冷却时间等于注入时间。
• 推导出粒子分布 $N(\gamma) \propto \gamma^{-s}$，并在 $\gamma_{\text{c}}$ 处出现截断，其中在冷却缓慢的区域 $\gamma_{\text{c}} \propto U^{-1}$。
• 计算峰值能量 $\gamma_{\text{peak}}$，即辐射冷却与注入平衡的位置，导致在高 $\gamma_{\text{peak}}$ 时出现 $\gamma_{\text{peak}} \propto U^{-1}$。
• 将模型预测与极端源（如Mkn 501和1ES 1426+428）的观测SED进行比较，尤其关注爆发状态。
• 分析粒子分布的谱指数 $s$ 以推断加速效率，特别注意在主要爆发期间谱指数更平坦（$s < 2$）的情况。

实验结果

研究问题

• RQ1 在最高能峰源（如TeV探测的BL Lac）中，$\gamma_{\text{peak}} \propto U^{-0.6}$ 关系是否失效？
• RQ2 什么物理机制能解释低功率BL Lac对象中同步辐射峰高于100 keV的观测SED，这些SED无法用标准冷却模型解释？
• RQ3 有限粒子注入 timescale 如何影响低光度耀变体中粒子能量分布与相应SED的形状？
• RQ4 两阶段粒子加速模型（预加热后接快速加速）是否能统一解释全光度范围内观测到的 $\gamma_{\text{peak}}$–$U$ 关系？
• RQ5 为何在Mkn 501等源的主要爆发中，即使冷却较强，仍观测到更平坦的粒子分布（$s < 2$）和更高的 $\gamma_{\text{peak}}$ 值？”

主要发现

• 高光度耀变体中 $\gamma_{\text{peak}} \propto U^{-0.6}$ 的关系在高 $\gamma_{\text{peak}}$ 时失效，极端源显示 $\gamma_{\text{peak}} \propto U^{-1}$ 关系。
• 有限粒子注入 timescale 在冷却时间等于注入时间处引入粒子分布的截断，即 $\gamma_{\text{c}}$，且 $\gamma_{\text{c}} \propto U^{-1}$。
• 峰值辐射能量 $\gamma_{\text{peak}}$ 对应于冷却时间等于注入 timescale 的粒子，导致在冷却缓慢区域出现 $\gamma_{\text{peak}} \propto U^{-1}$。
• 低功率BL Lac对象需要两阶段加速过程：第一阶段为预加热，平衡加热与冷却（产生 $\gamma_{\text{min}} \propto U^{-0.5}$），随后为快速加速形成幂律分布。
• 在主要爆发期间（如Mkn 501在1997年），粒子分布变得更平坦（$s < 2$），表明激波加速主导于预加热，导致同步辐射波段呈现平坦的SED。
• 极高能峰源（$\gamma_{\text{peak}} > 10^5$）在射电和光学波段可能本征较弱，可能类似于低功率射电星系，仅在TeV和硬X射线波段可探测。