[论文解读] The physics and cosmology of TeV blazars in a nutshell

Christoph Pfrommer, Avery E. Broderick+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 28, 2013

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用 5

一句话总结

本文提出，TeV耀星通过束-等离子体不稳定性加热水星际介质，有效将相对论性电子-正电子对热化。该机制解释了莱曼-α森林中观测到的反常温度-密度关系，抑制了空洞中矮星系的形成，并说明了星系团中双峰核心温度的成因。

ABSTRACT

The extragalactic gamma-ray sky at TeV energies is dominated by blazars, a subclass of accreting super-massive black holes with powerful relativistic outflows directed at us. Only constituting a small fraction of the total power output of black holes, blazars were thought to have a minor impact on the universe at best. As we argue here, the opposite is true and the gamma-ray emission from TeV blazars can be thermalized via beam-plasma instabilities on cosmological scales with order unity efficiency, resulting in a potentially dramatic heating of the low-density intergalactic medium. Here, we review this novel heating mechanism and explore the consequences for the formation of structure in the universe. In particular, we show how it produces an inverted temperature-density relation of the intergalactic medium that is in agreement with observations of the Lyman-alpha forest. This suggests that blazar heating can potentially explain the paucity of dwarf galaxies in galactic halos and voids, and the bimodality of galaxy clusters. This also transforms our understanding of the evolution of blazars, their contribution to the extra-galactic gamma-ray background, and how their individual spectra can be used in constraining intergalactic magnetic fields.

研究动机与目标

• 通过引入一种新的加热机制，解决观测到的莱曼-α森林特性与标准宇宙学模型之间的差异。
• 通过抑制晚期形成的矮星系形成，解决银河系类晕中缺失卫星问题。
• 通过耀星加热引起的熵增强，解释星系团中双峰核心温度的成因。
• 调和观测到的河外伽马射线背景与耀星贡献之间的关系，避免GeV波段的过量产生。
• 通过提出束-等离子体不稳定性作为主要能量耗散机制，挑战传统的逆康普顿级联模型。

提出的方法

• 利用非对称不稳定性的增长率，模拟TeV伽马射线对产生后超相对论性电子-正电子对的冷却过程。
• 将非对称不稳定性的增长率ΓM,k与逆康普顿冷却率ΓIC进行比较，以确定能量耗散的主导机制。
• 利用星际介质（IGM）的声速和密度，计算耀星加热引起的金斯质量增强，MJ,blazar ∝ (T_blazar / T_photo)^3/2。
• 应用滤波质量形式化方法，评估不同红移和高密度区域中矮星系形成的抑制程度。
• 引入流体动力学模拟的非线性修正，以优化致密区域和空洞区域的滤波质量。
• 利用宇宙学模拟评估耀星加热对结构形成和IGM热力学的长期影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 束-等离子体不稳定性是否能在宇宙学尺度上高效热化TeV耀星产生的对？
• RQ2 耀星加热是否会产生与莱曼-α森林观测一致的IGM中反常温度-密度关系？
• RQ3 耀星加热在低密度环境中在多大程度上抑制了晚期形成矮星系的形成？
• RQ4 耀星加热如何解释星系团中双峰核心温度分布？
• RQ5 该机制能否调和观测到的河外伽马射线背景与未resolved的TeV耀星贡献之间的关系？

主要发现

• 非对称不稳定性的冷却速率比逆康普顿散射快十余倍，使其成为能量耗散的主导机制。
• 耀星加热使金斯质量比纯光致加热模型提高约30倍，显著抑制结构形成。
• 在平均密度区域（空洞中），滤波质量分别提高10倍（50倍），阻止了晚期形成矮星系的形成。
• 该抑制效应解决了缺失卫星问题，并通过降低低密度区域的星系数量解释了空洞现象。
• 耀星加热可解释星系团中双峰核心温度：早期形成的星系群冷却并形成冷核，而晚期形成的星系群则因冷却延迟而保持高熵。
• 该机制可自洽地解释各向同性和各向异性的伽马射线背景，且不会导致GeV波段的过量发射。