[论文解读] Neutrino production in blazar radio cores

O. E. Kalashev, Polina Kivokurtseva+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 6, 2022

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 5

一句话总结

本文提出，冰立方等实验探测到的TeV至PeV能段高能中微子，是在耀变体的紧凑、毫米尺度射电喷流核心中通过质子-光子（pγ）相互作用产生的——这些核心区域负责主导的VLBI射电流量。质子在黑洞附近被加速，并与核心内的自反Compton（SSC）光子发生相互作用，产生与射电和硬X射线辐射相关联的中微子，从而在无需极端质子光度或长时间相互作用的前提下，解释多信使关联现象。

ABSTRACT

Models of the origin of astrophysical neutrinos with energies from TeVs to PeVs are strongly constrained by multimessenger observations and population studies. Recent results point to statistically significant associations between these neutrinos and active galactic nuclei (AGN) selected by their radio flux observed with very-long-baseline interferometry (VLBI). This suggests that the neutrinos are produced in central parsecs of blazars, AGN with relativistic jets pointing to the observer. However, conventional AGN models tend to explain only the highest-energy part of the neutrino flux observationally associated with blazars. Here we discuss in detail how the neutrinos can be produced in the part of an AGN giving the dominant contribution to the VLBI radio flux, the radio core located close to the jet base. Physical conditions there differ both from the immediate environment of the central black hole and from the plasma blobs moving along the jet. Required neutrino fluxes, considerably smaller than those of photons, can be produced in interactions of relativistic protons, accelerated closer to the black hole, with radiation in the core.

研究动机与目标

• 解释观测到的高能天体中微子（TeV–PeV）与VLBI选中的耀变体之间的关联，这些耀变体表现出强烈的射电核心辐射。
• 解决传统模型无法解释中微子全能量范围及中微子与射电流量之间观测相关性的挑战。
• 提出一种在稳定、紧凑射电核心中产生中微子的物理解释机制，区别于基于团块的模型。
• 调和核心中微子光度（远低于SSC光子光度，低多个数量级）与多信使源群体研究之间的矛盾。
• 阐明SSC过程产生的硬X射线光子在核心中作为pγ相互作用靶粒子的作用，将中微子辐射与可观测的射电和X射线特性联系起来。

提出的方法

• 将射电核心建模为喷流基底处的稳定、斜冲激波区域，其中相对论性质子被俘获，并与自反Compton（SSC）光子发生相互作用。
• 利用质子-光子（pγ）相互作用截面和运动学参数估算中微子产生率，假设质子在黑洞附近被加速并传播至核心。
• 计算所需的质子光度和相互作用光学深度，表明核心的高光子密度和长质子路径可实现高效的中微子产生。
• 估算中微子通量与SSC光子光度及同步辐射峰值能量的标度关系，将其与可观测的射电和X射线通量联系起来。
• 考虑核心内γγ吸收效应，以解释中微子与伽马射线选中的耀变体之间缺乏相关性的原因。
• 将模型预测与观测数据进行比较，包括中微子-射电通量相关性及群体统计特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在耀变体中心数光秒范围内产生高能中微子（TeV–PeV），并与观测到的VLBI射电核心关联？
• RQ2 尽管伽马射线明亮的耀变体并未主导中微子通量，为何高能中微子通量与VLBI射电通量之间存在相关性？
• RQ3 射电核心中的何种物理条件可实现高效的pγ相互作用，而无需极端高的质子光度或过长的相互作用时间？
• RQ4 该模型如何解释观测到的中微子光度远低于核心SSC光子光度的现象？
• RQ5 中微子辐射与硬X射线（SSC）辐射之间预期存在何种相关性？如何通过观测手段进行检验？

主要发现

• 负责主导VLBI射电流量的耀变体毫米波射电核心，由于光子密度高且质子路径长，为pγ相互作用提供了有利环境。
• 核心中的中微子光度自然远低于SSC光子光度，与多信使群体研究结果一致，即中微子源与伽马射线源群体不匹配。
• 该模型通过将中微子与射电通量的相关性归因于同一物理结构——紧凑射电核心——而无需依赖长寿命团块，从而解释了观测到的相关性。
• 为达到观测到的中微子通量，所需的质子光度在物理上可实现，因为核心的高光子密度及无绝热膨胀特性增强了相互作用概率。
• 该模型预测中微子与硬X射线（SSC）光度之间存在相关性，可通过同时多波段监测进行观测检验。
• 中微子与伽马射线选中的耀变体之间缺乏强相关性，是由于核心内高能光子的γγ吸收效应所致，该效应抑制了伽马射线信号，但允许中微子产生。