[论文解读] Particle acceleration and magnetic field amplification in hotspots of FR II galaxies: The case study 4C74.26

Anabella Araudo, A. R. Bell+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 25, 2016

Astronomy and Astrophysical Research被引用 3

一句话总结

本研究对FR II型射电星系4C74.26的南部热点中射电至X射线辐射进行了建模，提出粒子加速通过等离子体不稳定性所增强的高密度、小尺度磁场中的漫射激波加速机制实现。激波后快速衰减的同步辐射射电发射——由于磁场快速衰减——表明相对论性激波无法将粒子加速至超高能，最大质子能量被限制在约100 TeV，远低于Hillas准则所预测的100 EeV。

ABSTRACT

It has been suggested that relativistic shocks in extragalactic sources may accelerate the most energetic cosmic rays. However, recent theoretical advances indicating that relativistic shocks are probably unable to accelerate particles to energies much larger than a PeV cast doubt on this. In the present contribution we model the radio to X-ray emission in the southern hotspot of the quasar 4C74.26. The synchrotron radio emission is resolved near the shock with the MERLIN radio-interferometer, and the rapid decay of this emission behind the shock is interpreted as the decay of the downstream magnetic field as expected for small scale turbulence. If our result is confirmed by analyses of other radiogalaxies, it provides firm observational evidence that relativistic shocks at the termination region of powerful jets in FR II radiogalaxies do not accelerate ultra high energy cosmic rays.

研究动机与目标

• 解释4C74.26南部热点中无法用标准同步辐射冷却模型解释的紧凑、薄型射电发射。
• 研究X射线发射的起源，其与同步辐射自康普顿散射不一致，但与宇宙微波背景光子的逆康普顿散射一致。
• 确定为使观测到的射电至X射线谱与漫射激波加速一致，所需的磁场结构和粒子扩散特性。
• 评估FR II热点中的相对论性激波是否能将粒子加速至超高能，特别是超过1 PeV的能量。
• 检验Weibel不稳定性在生成和维持小尺度磁湍流方面的作用，从而实现高效粒子加速的可行性。

提出的方法

• 使用同步辐射+逆康普顿（IC）发射框架对射电至X射线的能谱分布进行建模，假设宇宙微波背景光子为IC散射的种子场。
• 应用漫射激波加速（DSA）形式化方法，并采用修正的扩散系数$ D $以考虑湍流磁场中的非玻姆输运行为。
• 使用条件$ D \rightarrow D_{\text{Bohm}} \times (r_g / s) $推断为解释观测到的电子能量截止所必需的磁场不均匀性尺度$ s $。
• 从观测到的射电发射衰减曲线推导出所需的磁场衰减 timescale，假设其追踪激波下游湍流磁场的衰减。
• 从同步辐射冷却 timescale 计算电子能量截止$ E_{\text{c}} \sim \text{TeV} $，并与IC X射线光度比较以约束电子分布。
• 在相同的扩散和磁场约束下，应用修改后的加速timescale，利用Hillas准则计算最大质子能量。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何4C74.26南部热点中的射电发射如此狭窄且紧凑，且为何在激波后迅速衰减？
• RQ2 为产生观测到的射电发射轮廓和电子能量截止，所需的磁场结构和湍流尺度为何？
• RQ3 X射线发射能否由宇宙微波背景光子的逆康普顿散射解释，这对电子能量分布有何含义？
• RQ4 在观测到的辐射和推断出的扩散与磁场特性下，该激波特境中粒子的最大加速能量是多少？
• RQ5 观测到的发射轮廓是否排除了FR II热点作为超高能宇宙射线来源的可能性？

主要发现

• 4C74.26南部热点中紧凑的射电发射（FWHM <1″）无法用快速同步辐射冷却解释，需依赖其他机制，如磁场快速衰减。
• 平坦的射电至红外谱（α = 0.75）以及光学频段的谱转折，要求扩散系数$ D \gg D_{\text{Bohm}} $，暗示在小尺度上存在强烈散射。
• 所需磁场不均匀性尺度为$ s \sim 2 \times 10^7 \, \text{cm} $，远小于离子皮深$ c/\omega_{\text{pi}} \sim 2.3 \times 10^9 \, \text{cm} $，表明湍流为亚离子尺度。
• 磁场必须在激波下游快速衰减，其衰减timescale与观测到的射电发射衰减一致，支持一种瞬态放大机制。
• 最大电子能量被限制在$ \sim \text{TeV} $，与通过宇宙微波背景光子逆康普顿散射观测到的X射线光度一致。
• 质子加速同样受限：最大质子能量仅为$ \sim 100 \, \text{TeV} $，远低于超高能宇宙射线所需的100 EeV，挑战了FR II热点作为此类粒子来源的角色。