[论文解读] Particle acceleration and synchrotron emission in blazar jets

J. G. Kirk, Frank Rieger+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 27, 1998

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 60

一句话总结

本文在相对论性耀变体喷流的激波特面前建模电子加速过程，计算下游区域均匀磁场下的同步辐射发射。结果表明，当加速 timescales 远短于冷却 timescales 时，通量上升期间的谱硬化与通量下降期间的谱软化现象——在 PKS 2155–304 和 Mkn 421 中观测到——可被解释，从而在特定条件下验证了均匀同步辐射模型的有效性。

ABSTRACT

We model the acceleration of electrons at a shock front in a relativistic blazar jet and compute the radiation they emit in a post-shock region which contains a homogeneous magnetic field. The full space, time and momentum dependence of the electron distribution is used in this calculation. It is shown that the "homogeneous" synchrotron model is recovered, provided the downstream speed of the plasma away from the shock front is nonrelativistic, and provided that the light travel times across the face of the shock front is unimportant. By varying the rate at which particles are picked up by the acceleration process, we calculate the time-dependence of the spectra. Since the magnetic field strength is assumed constant within the emission region, each frequency band can be identified with electrons of a particular energy. We find that for a band in which the electrons are accelerated rapidly compared to the rate at which they cool, the spectra typically harden during phases of rising flux, and soften during phases of falling flux, as has been observed in the objects PKS 2155-304 and Mkn 421. However, in a frequency band in which the timescales are comparable, the reverse behaviour is to be expected. We discuss the extent to which observations of both the stationary spectrum and the spectral variability of the synchrotron component of blazar emission can be used to constrain the model.

研究动机与目标

• 探究均匀磁场模型是否能重现耀变体中观测到的同步辐射光谱与变异性。
• 确定均匀模型有效的条件，特别是光传播时间效应与等离子体流速的影响。
• 探讨时变粒子加速与同步辐射冷却如何塑造观测到的光谱变异性。
• 评估粒子逃逸与磁场非均匀性在塑造电子能谱及相应辐射中的作用。
• 将内在变异性模式与可观测光谱演化联系起来，特别是在 Mkn 501 和 PKS 2155–304 等源中。

提出的方法

• 求解电子分布函数在相空间（时间、位置、能量）中的完整动力学方程，位于激波特面前方的下游区域。
• 假设发射区域磁场均匀，并通过在有限距离外磁场强度突然下降来建模粒子逃逸。
• 利用完全时变、空间变与能量依赖的电子分布函数计算同步辐射发射。
• 引入一种现象学上的粒子群体划分：同时经历加速与冷却的粒子，以及仅经历冷却的粒子。
• 采用相对论性喷流参考系，设定下游等离子体速度 $u_s = c/10$，以模拟多普勒增强与光传播时间延迟效应。
• 应用相对论性束射与时间延迟校正，将内在变异性与观测光曲线关联起来。

实验结果

研究问题

• RQ1 在何种条件下，均匀同步辐射模型能准确重现观测到的耀变体光谱与变异性？
• RQ2 粒子加速与同步辐射冷却的相对 timescales 如何影响通量变化期间的光谱硬化或软化？
• RQ3 光传播时间延迟在发射区域内的传播在多大程度上平滑了内在变异性？
• RQ4 Mkn 501 中观测到的光谱截止是否可用均匀模型解释，还是必须引入非均匀性？
• RQ5 源的几何结构与取向如何影响观测到的变异性模式，特别是在相对论性束射喷流中？

主要发现

• 当下游等离子体流动为非相对论性且穿过激波特的光传播时间可忽略时，均匀同步辐射模型得以恢复。
• 在加速 timescales 远短于冷却 timescales 的频段，光谱在通量上升期间变硬，下降期间变软——与 PKS 2155–304 和 Mkn 421 的观测结果一致。
• 当加速与冷却 timescales 相当时，预期出现相反的光谱行为：通量上升期间软化，下降期间硬化。
• Mkn 501 中观测到的陡峭光谱转折点可通过具有电子分布突然截止的均匀模型良好再现，表明发射区域中非均匀性极小。
• 其他源（如 Mkn 421 和 SNR 1006）中更宽的光谱转折点更宜用非均匀性而非内在加速机制特性来解释。
• 对于 Mkn 501，最大冷却 timescale 约为峰值频率处同步辐射冷却 timescale 的 700 倍，意味着在临界频率以上，光传播时间平滑效应占主导。