[论文解读] Search for neutrino emission from hard X-ray AGN with IceCube

R. Abbasi, M. Ackermann+424 more|arXiv (Cornell University)|Jun 10, 2024

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 2

一句话总结

本研究利用IceCube数据搜索732个通过硬X射线选源的活动星系核（AGN）的高能中微子辐射，尽管检测到NGC 1068和NGC 4151两个强源，但非耀变体AGN的堆叠信号不显著。结果表明，中微子发射并非与硬X射线光度成正比，暗示喷流-吸积盘相互作用或源的本征性质等额外物理因素在决定中微子产生过程中起关键作用，而不仅仅是X射线通量。

ABSTRACT

Active Galactic Nuclei (AGN) are promising candidate sources of high-energy astrophysical neutrinos since they provide environments rich in matter and photon targets where cosmic ray interactions may lead to the production of gamma rays and neutrinos. We searched for high-energy neutrino emission from AGN using the $ extit{Swift}$-BAT Spectroscopic Survey (BASS) catalog of hard X-ray sources and 12 years of IceCube muon track data. First, upon performing a stacked search, no significant emission was found. Second, we searched for neutrinos from a list of 43 candidate sources and found an excess from the direction of two sources, Seyfert galaxies NGC 1068 and NGC 4151. We observed NGC 1068 at flux $\phi_{ u_{\mu}+\bar{ u}_{\mu}}$ = $4.02_{-1.52}^{+1.58} imes 10^{-11}$ TeV$^{-1}$ cm$^{-2}$ s$^{-1}$ normalized at 1 TeV, with power-law spectral index, $\gamma$ = 3.10$^{+0.26}_{-0.22}$, consistent with previous IceCube results. The observation of a neutrino excess from the direction of NGC 4151 is at a post-trial significance of 2.9$\sigma$. If interpreted as an astrophysical signal, the excess observed from NGC 4151 corresponds to a flux $\phi_{ u_{\mu}+\bar{ u}_{\mu}}$ = $1.51_{-0.81}^{+0.99} imes 10^{-11}$ TeV$^{-1}$ cm$^{-2}$ s$^{-1}$ normalized at 1 TeV and $\gamma$ = 2.83$^{+0.35}_{-0.28}$.

研究动机与目标

• 检验硬X射线选源的AGN，特别是非耀变体赛克特星系，是否能发射IceCube可探测的高能中微子。
• 研究中微子发射是否与大样本AGN中硬X射线通量相关。
• 确定NGC 1068和NGC 4151观测到的中微子发射是否代表更广泛的AGN群体特征，还是异常现象。
• 评估除X射线光度外，喷流-吸积盘相互作用或遮蔽等本征源属性在中微子产生中的作用。
• 评估这些AGN对弥散高能中微子背景的贡献，并与它们对硬X射线背景的贡献进行比较。

提出的方法

• 基于X射线通量和红移从硬X射线星表中选取732个非耀变体AGN，以最大化可探测性。
• 对IceCube中微子数据执行堆叠分析，将全部732个AGN的信号合并，以搜索累积中微子超额。
• 应用蒙特卡洛模拟建模预期背景和信号分布，包括探测器响应和大气中微子背景。
• 通过幂律能谱（E−3）进行光谱建模，归一化参数由观测到的中微子事例推导。
• 对星表完整性和本征X射线通量不确定性进行修正，特别是对高遮蔽的康普顿厚AGN。
• 将结果与赛克特星系的先前分析进行比较，并与Neronov等人（2024年）的独立发现交叉验证，以确保一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在大量硬X射线选源的非耀变体AGN样本中，是否存在显著的高能中微子堆叠信号？
• RQ2 观测到的中微子发射是否与AGN样本中的硬X射线光度相关？
• RQ3 NGC 1068和NGC 4151为何是强中微子源，尽管它们在硬X射线中并非最亮？
• RQ4 除X射线通量外，哪些物理机制可能主导AGN中的中微子产生，特别是在遮蔽或喷流主导系统中？
• RQ5 NGC 1068和NGC 4151对弥散高能中微子背景的贡献程度，与它们对硬X射线背景的贡献相比如何？

主要发现

• 未从732个非耀变体AGN中检测到显著堆叠信号，表明中微子发射并非与样本中硬X射线通量成正比。
• NGC 1068和NGC 4151被确定为最重要的单个中微子源，其最佳拟合光谱与E−3一致，比弥散天体物理中微子背景更软。
• 这两者贡献了总高能中微子通量的约1%，但仅占总硬X射线通量的约0.1%（光谱指数γ = 3.0时）。
• 结果表明，除硬X射线光度外，如喷流-吸积盘相互作用或遮蔽等物理参数在决定中微子发射中起关键作用。
• 研究结果与独立分析一致，包括Neronov等人（2024年）的研究，后者也发现包含NGC 4151和NGC 3079的赛克特星系群体存在约3σ的信号。
• 提高对康普顿厚AGN的X射线通量测量精度，对解决中微子源群体建模中的差异至关重要。