[论文解读] X-ray Emission Properties of Large Scale Jets, Hotspots and Lobes in Active Galactic Nuclei

J. Kataoka, Ł. Stawarz|Nov 2, 2004

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用 6

一句话总结

本研究利用钱德拉和ASCA对40多個射电星系的X射线辐射数据，分析了活动星系核中大尺度喷流、热点和瓣状结构的X射线发射。比较了同步辐射、SSC和EC模型，发现强大源中X射线明亮的喷流结在等能分配假设下超出预期通量，暗示磁场可能低于等能分配水平，或存在高度相对论性整体喷流，挑战了标准逆康普顿模型。

ABSTRACT

We examine a systematic comparison of jet-knots, hotspots and radio lobes recently observed with Chandra and ASCA. This report will discuss the origin of their X-ray emissions and investigate the dynamics of the jets. The data was compiled at well sampled radio (5GHz) and X-ray frequencies (1keV) for more than 40 radio galaxies. We examined three models for the X-ray production: synchrotron (SYN), synchrotron self-Compton (SSC) and external Compton on CMB photons (EC). For the SYN sources -- mostly jet-knots in nearby low-luminosity radio galaxies -- X-ray photons are produced by ultrarelativistic electrons with energies 10-100 TeV that must be accelerated in situ. For the other objects, conservatively classified as SSC or EC sources, a simple formulation of calculating the ``expected'' X-ray fluxes under an equipartition hypothesis is presented. We confirmed that the observed X-ray fluxes are close to the expected ones for non-relativistic emitting plasma velocities in the case of radio lobes and majority of hotspots, whereas considerable fraction of jet-knots is too bright at X-rays to be explained in this way. We examined two possibilities to account for the discrepancy in a framework of the inverse-Compton model: (1) magnetic field is much smaller than the equipartition value, and (2) the jets are highly relativistic on kpc/Mpc scales. We concluded, that if the inverse-Compton model is the case, the X-ray bright jet-knots are most likely far from the minimum-power condition. We also briefly discuss the other possibility, namely that the observed X-ray emission from all of the jet-knots is synchrotron in origin.

研究动机与目标

• 确定射电星系中大尺度喷流、热点和瓣状结构的主导X射线发射机制——同步辐射、SSC或EC。
• 评估喷流结、热点和瓣状结构中观测到的X射线通量是否与磁场和非相对论性等离子体速度下的等能分配假设预测一致。
• 探讨通量差异对喷流动力学的影响，特别是整体洛伦兹因子和磁场强度。
• 评估在等能分配假设下，逆康普顿模型对X射线明亮喷流结是否仍然成立。
• 探讨替代解释，包括超相对论性电子的同步辐射或非标准能谱分布。

提出的方法

• 收集了40多个钱德拉和ASCA观测的射电星系在5 GHz（射电）和1 keV（X射线）波段的多波段数据。
• 应用三种发射模型：同步辐射（SYN）、同步辐射自康普顿（SSC）和外部康普顿（EC）模型，利用宇宙微波背景光子。
• 在等能分配假设下计算预期X射线通量，假设磁场能量与相对论性粒子能量相等。
• 将观测到的X射线通量与喷流结、热点和瓣状结构的等能分配模型预测通量进行比较。
• 作为相对论性喷流模型一致性的检验，评估EC模型中所需多普勒束射因子δ随红移的变化。
• 在高速情况下评估喷流结的一区均匀发射模型的有效性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在射电星系的大尺度喷流、热点和瓣状结构中，主导X射线发射机制是同步辐射、SSC还是EC？
• RQ2 喷流结、热点和瓣状结构中观测到的X射线通量是否与非相对论性等离子体速度下的等能分配假设预测一致？
• RQ3 为何一些喷流结在X射线波段显著比等能分配模型预测更亮？
• RQ4 能否通过高能喷流整体洛伦兹因子（Γ ≥ 5）在千秒差距/百万秒差距尺度上解释喷流结的X射线亮度？
• RQ5 EC模型中所需多普勒因子δ与红移z的观测反相关关系是物理真实特征，还是模型假设导致的人为结果？

主要发现

• 邻近低光度FR I射电星系中喷流结的X射线发射与超相对论性电子（10–100 TeV）在原位加速产生的同步辐射一致。
• 对于大多数热点和射电瓣状结构，观测到的X射线通量与非相对论性等离子体速度下等能分配模型的预测一致。
• 在强大源中，相当一部分喷流结的X射线亮度远超标准逆康普顿模型在等能分配假设下的解释能力。
• X射线亮度的差异表明，喷流中磁场可能显著低于等能分配水平，或存在高度相对论性整体喷流（Γ ≥ 5）。
• EC模型中所需的多普勒束射因子δ与红移呈反相关，暗示高红移源需要更小的δ，这可能反映物理差异或模型局限性。
• 邻近的FR I源NGC 6251是例外，其X射线发射在EC建模下仍存在问题，提示可能存在非标准发射机制。