[论文解读] The Role of Plasma Instabilities in the Propagation of Gamma-Rays from Distant Blazars

Andrey Saveliev, Carmelo Evoli+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 26, 2013

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 3

一句话总结

本文研究了星系际介质（IGM）中的离子束不稳定性，作为星系外磁场（EGMF）之外另一种抑制遥远耀变体GeV伽马射线通量的机制。通过电磁级联的蒙特卡洛模拟，表明TeV伽马射线产生的相对论性电子-正电子喷流可在IGM中因两流不稳定性而被抑制，IGM温度临界值为 $ T \lesssim 5 \times 10^4\,\text{K} $，该条件可解释Fermi-HESS对1ES 0229+200的观测数据，其抑制效果与 $ B \gtrsim 10^{-16}\,\text{G} $ 的磁场预期相当。

ABSTRACT

The observation in the GeV band of distant blazars has been recently used to put constraints on the Extragalactic Background Light (EBL) and Extragalactic Magnetic Fields (EGMF). To support such claims one has to assume that the leptonic component of the electromagnetic cascade initiated by blazar gamma-rays is deflected away by strong enough EGMF, suppressing the signal in the Fermi window. Apart from magnetic fields, the development of such a cascade might be affected by plasma instabilities due to interactions with the ionized component of the Intergalactic Medium (IGM). In this paper we model the electromagnetic cascade through a Monte Carlo simulation in which both effects are taken into account separately, and we derive constraints on these scenarios from the combined Fermi-HESS data set. In the specific case of 1ES 0229+200 observations, we show that both explanations of the GeV flux suppression are compatible with the available data, specifically by assuming a magnetic field of $B \gtrsim 10^{-16}\, m{G}$ or an IGM temperature of $T \lesssim 5 imes 10^{4}\, m{K}$ along the line of sight. Future observations of the spectra of high redshift ($z\lesssim 1$) TeV objects will help to distinguish magnetic field and plasma effects on electromagnetic cascades in the IGM.

研究动机与目标

• 评估电离IGM中的等离子体不稳定性是否能抑制遥远耀变体的电磁级联，从而提供一种替代EGMF导致偏转的机制。
• 利用蒙特卡洛模拟框架，对IGM中电磁级联的发展进行建模，包括等离子体效应和磁场偏转。
• 检验等离子体不稳定性效应能否重现观测到的GeV通量抑制现象，特别是Fermi与HESS联合数据中1ES 0229+200的光谱特征。
• 通过未来对高红移（z ≤ 1）TeV源的观测，区分等离子体不稳定性与磁场效应。
• 评估IGM温度和电子束密度在决定两流不稳定性强度及其对级联发展影响中的作用。

提出的方法

• 蒙特卡洛模拟模拟了由耀变体产生的TeV伽马射线引发的完整电磁级联过程，包括在EBL上的对产生和在CMB上的逆康普顿散射。
• 模拟分别引入了星系外磁场（EGMF）和IGM中等离子体不稳定性的影响，采用Broderick等人（2012）和Schlickeiser等人（2012, 2013）建立的形式化方法。
• 相对论性电子-正电子束的物理特性动态确定，束密度由伽马射线光度和红移推导得出。
• 利用无磁场等离子体的色散关系计算两流不稳定性的增长率，弱与强不稳定性区域之间的转变由公式（12）中的条件定义。
• 计算电子由于等离子体效应的弛豫时间 $ \tau_{\text{r}} $，并与冷却和相互作用 timescales 进行比较。
• 生成不同IGM温度和磁场强度下的光谱，并与Fermi-HESS对1ES 0229+200的观测进行比较，以推导约束条件。

实验结果

研究问题

• RQ1 IGM中的等离子体不稳定性能否抑制遥远耀变体的电磁级联，从而提供一种替代EGMF导致偏转的可行机制？
• RQ2 为重现Fermi-HESS数据中1ES 0229+200观测到的GeV通量抑制，IGM需要多高的温度？
• RQ3 等离子体不稳定性抑制的光谱特征与磁场偏转的光谱特征有何不同，特别是在光谱特征和红移依赖性方面？
• RQ4 弱与强耀变体状态之间的转变在决定等离子体驱动级联抑制效率方面起什么作用？
• RQ5 未来对高红移（z ≤ 1）TeV耀变体的观测能否区分等离子体不稳定性与磁场效应？

主要发现

• IGM中的等离子体不稳定性可显著抑制TeV伽马射线引发的电磁级联发展，从而降低Fermi LAT观测到的GeV通量。
• 对于红移 z = 0.14 的耀变体1ES 0229+200，需满足IGM温度 $ T \lesssim 5 \times 10^4\,\text{K} $ 才能重现观测到的GeV通量抑制，该效果与 $ B \gtrsim 10^{-16}\,\text{G} $ 磁场预期的抑制效果相当。
• 等离子体不稳定性导致的抑制机制在更高电子能量（约TeV量级）时更强，此时两流不稳定性占主导，导致级联抑制效率高于磁场偏转。
• 由于弱与强不稳定性区域之间的过渡，预测在伽马射线光谱中出现第二个峰，这可能成为独特的观测特征。
• 两种机制的光谱趋势不同：等离子体不稳定性抑制随红移增加（因束流增长更强），而磁场偏转抑制随红移减小。
• HESS-II和CTA未来对高红移（z ≤ 1）TeV源的观测将对区分等离子体不稳定性与磁场效应在电磁级联中的作用至关重要。