[论文解读] Tidal disruption jets as the source of Ultra-High Energy Cosmic Rays

Glennys R. Farrar, Tsvi Piran|arXiv (Cornell University)|Nov 3, 2014

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 15

一句话总结

本文提出，具有相对论喷流的潮汐瓦解事件（TDEs）可将质子加速至超高能（UHECRs >10^20 eV），并满足磁约束的Hillas准则。Swift J1644+57的观测表明，外喷流区域具有足够的B×R（磁场×尺度）和能量预算以产生UHECRs，建模显示BR ≈ 3×10^17 Gauss·cm——刚好达到质子加速的阈值，支持TDE喷流作为具有纯质子组成的UHECRs可行来源。

ABSTRACT

Observations of the spectacular, blazar-like tidal disruption event (TDE) candidates Swift J1644+57 and J2058+05 show that the conditions required for accelerating protons to 10^{20} eV appear to be realized in the outer jet, and possibly in the inner jet as well. Direct and indirect estimates of the rate of jetted-TDEs, and of the energy they inject, are compatible with the observed flux of ultra-high energy cosmic rays (UHECRs) and the abundance of presently contributing sources. Thus TDE-jets can be a major source of UHECRs, even compabile with a pure proton composition.

研究动机与目标

• 研究具有相对论喷流的潮汐瓦解事件（TDEs）是否可作为超高能宇宙射线（UHECRs）的来源。
• 检验TDE喷流中的条件——特别是磁场强度和尺度——是否满足将质子加速至10^20 eV的Hillas准则。
• 评估喷流型TDE的观测速率和能量注入是否足以解释观测到的UHECR通量及到达方向无聚集现象。
• 调和TDE喷流中表观能量增加与物理模型之间的矛盾，特别是逆康普顿冷却效应。

提出的方法

• 应用Hillas准则（BR ≥ 3×10^17 Γ^−1 Z^−1 E_20 Gauss·cm）评估TDE喷流中UHECR加速潜力。
• 利用能量均分估算及Swift J1644+57的射电/X射线观测，推断磁场强度和喷流能量含量。
• 采用类耀星体辐射机制（同步辐射和外部逆康普顿）建模X射线和射电辐射，估算内喷流和外喷流区域的B×R。
• 考虑X射线光子对射电辐射电子的逆康普顿冷却效应，该效应可能导致能量均分分析中喷流能量被低估。
• 将推断的TDE能量注入率与观测到的UHECR通量及源密度约束进行比较。
• 利用测量到的TDE速率（van Velzen & Farrar, 2014）估算解释UHECR通量所需的活跃源数量。

实验结果

研究问题

• RQ1 Swift J1644+57这类潮汐瓦解事件的外喷流是否能满足将质子加速至10^20 eV的Hillas准则？
• RQ2 Swift J1644+57射电辐射区域的观测能量预算和B×R乘积是否足以产生UHECRs？
• RQ3 Swift J1644+57中喷流能量随时间 apparent 增加，是真实能量注入还是逆康普顿冷却导致的伪影？
• RQ4 观测到的TDE速率和能量注入率是否足以解释观测到的UHECR通量及到达方向无聚集现象？
• RQ5 若TDE喷流是UHECRs的主要来源，其组成是否与纯质子起源一致？

主要发现

• Swift J1644+57的外喷流区域B×R乘积约为3×10^17 Gauss·cm，刚好满足将质子加速至10^20 eV的Hillas准则。
• 能量均分估算最初显示从第5天起喷流能量增加约20倍，但这可能是由于逆康普顿冷却抑制了同步辐射通量所致的伪影。
• Kumar等人（2013）更精确的建模表明，真实B×R比之前估算大数倍，完全满足Hillas条件。
• Swift J1644+57的最小（能量均分）喷流能量为0.8×10^51 ergs，与产生观测到的UHECR能谱所需能量一致。
• 观测到的TDE速率和能量注入率与观测到的UHECR通量及源密度约束相容，支持TDE喷流作为UHECRs主要来源。
• 尽管内喷流区域约束较少，但不同模型估算的B×R范围在数×10^15至5×10^17 Gauss·cm之间，表明内喷流也可能具备UHECR加速潜力。