[论文解读] Particle acceleration and the origin of the very high energy emission around black holes and relativistic jets

E. M. de Gouveia Dal Pino, G. Kowal+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 17, 2018

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 26被引用 3

一句话总结

本文提出，在黑洞周围磁能主导的等离子体及相对论喷流中，湍流磁重联可高效地将粒子加速至极高能量（高达PeV），解释了活动星系核（AGNs）和黑洞系统中观测到的甚高能（VHE）伽马射线与中微子辐射的起源。模拟显示，喷流与日冕区域的磁重联产生幂律粒子能谱，并实现快速、指数型的能量增长，与从耀变体到非耀变体低光度活动星系核（LLAGNs）和黑洞双星等各类源中观测到的VHE光度–黑洞质量相关性一致。

ABSTRACT

Particle acceleration induced by fast magnetic reconnection may help to solve current puzzles related to the interpretation of the very high energy (VHE) and neutrino missions from AGNs and compact sources in general. Our general relativistic-MHD simulations of accretion disk-corona systems reveal the growth of turbulence driven by MHD instabilities that lead to the development of fast magnetic reconnection in the corona. In addition, our simulations of relativistic MHD jets reveal the formation of several sites of fast reconnection induced by current-driven kink turbulence. The injection of thousands of test particles in these regions cause acceleration up to energies of several PeVs, thus demonstrating the ability of this process to accelerate particles and produce VHE and neutrino emission, specially in blazars. Finally, we discuss how reconnection can also explain the observed VHE luminosity-black hole mass correlation, involving hundreds of non-blazar sources like Perseus A, and black hole binaries.

研究动机与目标

• 解释活动星系核（AGNs）及致密源中甚高能（VHE）伽马射线与中微子辐射的起源。
• 探究湍流磁重联是否可解释跨越10个量级源类型中观测到的VHE光度–黑洞质量相关性。
• 确定在磁能主导区域通过磁重联实现的粒子加速是否能产生所需的宇宙射线能量与辐射谱。
• 检验磁重联作为耀变体喷流与非耀变体AGN核心中主导粒子加速机制的可行性。
• 评估磁重联在产生未被电子-正电子对产生完全吸收的可观测TeV伽马射线与中微子中的作用。

提出的方法

• 对吸积盘-日冕系统及相对论性坡印廷通量主导喷流进行了三维广义相对论磁流体动力学（GR-MHD）模拟。
• 模拟了具有螺旋形磁场和摆动扰动的磁能主导、旋转喷流，以激发电流驱动的扭曲（CDK）不稳定性。
• 通过高分辨率MHD模拟追踪湍流电流片的形成与快速磁重联区域的演化，重联速率可达局部阿尔芬速度的~0.05–0.1倍。
• 在重联区域注入数千个测试粒子以模拟费米型加速，追踪其能量增长与谱演化过程。
• 使用解析模型估算重联功率，并与黑洞双星及LLAGNs中观测到的伽马射线光度进行比较。
• 利用重联加速的宇宙射线，对BHBs与LLAGNs（如猎犬座A）的谱能分布（SEDs）进行建模，重现TeV辐射，其来源为pp与pγ相互作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 黑洞系统日冕与喷流中的湍流磁重联是否能将粒子加速至PeV量级能量？
• RQ2 由重联驱动的加速机制是否能重现耀变体与非耀变体AGNs中观测到的VHE伽马射线与中微子辐射？
• RQ3 AGNs核心与黑洞双星中重联功率是否能解释跨越10个量级的伽马射线光度–黑洞质量相关性？
• RQ4 像猎犬座A与黑洞双星这样的源中TeV辐射是否与重联加速的宇宙射线一致，且未被电子-正电子对产生完全吸收？
• RQ5 湍流在磁能主导等离子体中如何促进快速重联与高效粒子加速？

主要发现

• 在相对论性喷流中湍流电流片内的快速磁重联，其重联速率可达局部阿尔芬速度的~0.05–0.1倍，实现粒子的快速加速。
• 注入重联区域的测试粒子经历指数型能量增长，在AGN喷流中亚秒差距距离内即可达到约10^19 eV（10 PeV）的能量。
• 模拟的粒子能量谱呈幂律分布，谱指数在−1至−2之间，与VHE源的观测结果一致。
• 黑洞系统核心区域的重联功率与非耀变体LLAGNs及黑洞双星中观测到的伽马射线光度–黑洞质量相关性相符。
• AGNs核心中重联加速的宇宙射线可通过pp与pγ相互作用产生TeV伽马射线，且未被对产生完全吸收，这一结论经由猎犬座A与BHBs的SED建模得到验证。
• 该机制可自然产生高能中微子，为IceCube探测到的河外弥散中微子背景提供合理解释。