[论文解读] Multi-messenger interpretation of neutrinos from TXS 0506+056

Walter Winter, Shan Gao+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2019

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 21被引用 1

一句话总结

本文研究了来自耀变体TXS 0506+056的高能中微子的多信使解释，重点关注2014–15年和2017年的爆发。结果表明，单区光致强子模型难以同时解释两次爆发，尤其是2014–15年爆发，原因在于电磁级联能量过高且未观测到爆发。更复杂的源几何结构——如吸积盘和宽线区的外部辐射场——可使2017年爆发与X射线和VHE伽马射线数据一致，而2014–15年爆发在标准模型下仍不一致，除非假设非典型构型。

ABSTRACT

We discuss possible interpretations of the neutrinos observed from the AGN blazar TXS 0506+056 in the multi-messenger and multi-wavelength context, including both the 2014-15 and 2017 neutrino flares. While the neutrino observed in September 2017 has to describe contemporary data in e.g. the X-ray and VHE gamma-ray ranges, data at the 2014-15 excess are much sparser. We demonstrate that in both cases the simplest possible one-zone AGN blazar models face challenges. While the 2017 flare can be well interpreted by considering more sophisticated source geometries, the 2014-15 flare is much harder to describe with conventional models. One challenge is the energy injected into the electromagnetic cascade coming together with the neutrino production, which cannot be reconciled with the 13 observed neutrino events. We also speculate if a common interpretation of both flares is feasible.

研究动机与目标

• 解释TXS 0506+056在2014–15年和2017年爆发期间的多波段和多信使中微子数据。
• 评估一区光致强子模型在一致解释两次中微子爆发方面的可行性。
• 研究外部辐射场（如吸积盘和宽线区）在提升喷流参考系中中微子产生效率方面的作用。
• 评估预测的电磁级联与观测到的X射线和VHE伽马射线数据的一致性。
• 探讨是否存在一个共同的物理解释可同时解释2014–15年和2017年中微子爆发，尽管其电磁活动存在差异。

提出的方法

• 求解相对论性喷流斑块中电子、质子、光子和次级粒子的偏微分方程耦合系统。
• 在数百万种模型配置中进行广泛的参数空间扫描，涵盖光度、注入谱和源几何结构。
• 使用一区斑块模型并结合相对论多普勒增强效应，将观测参考系的辐射转换至喷流参考系，以计算中微子产生。
• 引入来自吸积盘和宽线区（BLR）的外部辐射场，以在斑块参考系中建模增强的pγ相互作用。
• 对伽马射线在河外背景光（EBL）和BLR内的能量依赖吸收进行处理。
• 将模型预测的中微事件率和能谱与IceCube观测结果进行比较，特别是13个事件的2014–15年超额和单个2017年事件。

实验结果

研究问题

• RQ1 一区光致强子模型能否一致地解释TXS 0506+056在2014–15年和2017年的中微子爆发？
• RQ2 外部辐射场（如来自吸积盘和BLR）在喷流参考系中提升中微子产生效率方面起到什么作用？
• RQ3 为何2014–15年中微子爆发尽管中微事件数量较高，却与标准模型不一致，且未观测到电磁爆发？
• RQ4 EBL和BLR吸收如何影响这些模型中预测的高能伽马射线和中微子能谱？
• RQ5 能否用一个共同的物理模型解释2014–15年和2017年爆发，还是它们需要根本不同的源几何结构？

主要发现

• 一区光致强子模型无法解释2014–15年中微子爆发，原因在于电磁级联能量过高，无法与观测到的13个中微子事件相容。
• 2017年中微子事件可被包含吸积盘和BLR外部辐射场的模型一致解释，这些场在喷流参考系中增强了有效辐射密度。
• 在外部辐射场模型中，2014–15年爆发期间预测可产生四至五个中微子事件，考虑光谱假设后与观测到的13±5个事件超额相符。
• 此类模型中预测的中微子能谱可通过未来的IceCube分析进行检验，特别是通过能谱形状和高能截止特征。
• 通过pγ相互作用实现高效中微子产生需要强外部辐射场，这与近期证据一致，表明TXS 0506+056可能是FSRQ而非BL Lac对象。
• 2014–15年中微子爆发期间缺乏同时发生的电磁爆发，引发了对事件超额统计显著性的疑问，并对传统强子模型构成挑战。