活動銀河ジェットにおける粒子加速：活動銀河ジェットにおける粒子加速：ブラックホールからホットスポットまでブラックホールからホットスポットまで

　 　 　　片岡　　　淳 　 　（東工大・理・物理）

2002 GRB meeting

<contents>- introduction 　 （予備知識）

- 中心ブラックホール- sub-pc スケールジェット

- kpc スケールジェット （ホットスポット）- ジェットのエネルギー輸送

活動銀河核（活動銀河核（ AGNAGN 　）　） の特の特徴徴

-　約 10 % の銀河に明るい中心核　（活動銀河核：AGN ）

明る

さ- 速い時間変動 : 1000 秒程度のものまで　（太陽系程度）

- 強い放射 : 銀河全体の星より、 100 倍以上明るい　　 　

NGC 4151

母母母

半径

母母母

中心核に巨大ブラックホール

相対論的 相対論的 outflow outflow ：：ジェッジェット ト

- AGN の約 10% に存在　 　　（ radio-loud ）

- ノットの多くは、　 超光速運動　　

ホットスポット

コア

ローブ

ノット

10 kpc ～ 1 Mpc

- ジェットを横から見る 　　　　 母母母母　　　

3C46 (1.7GHz)

- ジェットの終点　　　　　 ホットスポット　 　 　 　 　 　電波ローブ

超光速運動超光速運動

P

P’d

r

t1 t2

t2 = r/v + (d - r cosc

t1 = d/c

app= vapp/c = sincos

v

観測から app が求まれば、 Γ と 母母母

Γ > app　２ + 1)1/2

tan<

2 app

app　　２ - 1

観測的には　 5 < < 20 （光速の 99 % 程度） 母母母母母母母母 　 > 5 が必要

CGRO EGRETCGRO EGRET の「発見」の「発見」

- 0.1-10 GeV 　のガンマ線を放出する AGN : 66 天体　- わずかの例外を除き、すべて「ブレーザー」

- >1012 eV でも 6 天体

EGRET sky map of AGNs

CGRO (1991-2000)

TeV detection

TeV 　までの粒子加速

ブレーザーの特異性ブレーザーの特異性

1 ミリ秒角

4C38.41

コア ジェット

- ジェットはあるが、短い（電波でも殆ど点源）

- 活動銀河の中で、１％を占めるにすぎない ( ～ 200 天体 )

観測者

ジェットが観測者の視線方向を向く

相対論的ビーミング相対論的ビーミング

母母母母母母母母母 母母

obs ~ jet

tobs ~ tjet / obs ~ jet /

2

放射輝度 ∝ 　 t -1-1 Lobs ~ 4Ljet 10 4Ljet

(1) 振動数のシフト　

ビーミング因子を定義すると便利　 cos

(2) 時間の収縮(3) 立体角の圧縮

観測者

ブレーザー天体の放射ブレーザー天体の放射

- 二山のピーク構造　（電波～光学 /X: 　 X ～ガンマ線）

- 明るいものほどピーク位置が低い

Fossati et al. 1997

1000

100

10

1

0.1

γ

線の

卓越

度

12 18 log (LE)

Fossati et al. 1997: Kubo et al. 1998

同じ電子による、シンクロトロン放射 / 逆コンプトン放射　

Ghisellini et al. 1998

HBL

QHB

LBL

14 16

49

JetJet 　　内部の物理量– 内部の物理量– HBLHBL の場合の場合

- 磁場の強さ : B- 放射領域のサイズ : R

- 加速電子の分布　　（最高エネルギー maxmc2 個数密度 ; ベキ）

“ 知りたい”物理量- ビーミング因子 :

Mrk 501

シンクロトロン放射

？ベキ

max

　何かの　逆コンプトン

放射領域サイズの見積もり 放射領域サイズの見積もり ((ASCAASCA long-look) long-look)光度曲線 パワースペクトル

1 day

1 day

Kataoka et al. 2001Tanihata et al. 2001

- “ 毎日”起こるフレア : tvar ~ 105 [s]

- PSD のベキが steep ( t < tvar)

R ~ ctvar~ 1016 [cm]

Mrk421

Mrk501

PKS2155-304

““ 種光子”の源 種光子”の源 ((HBL)HBL)

Usync ~ 4×10-4 ( )2 [erg/cm3]10Lsync = 4 R2 c Usync

　 　 　 　 　 　 ~ 1044 [erg/s]

これは、他の“種”となり得る光子より密度がずっと高い e.g., UCMB ～ 4×10-13 [erg/cm3]

Uext < 10-5 [erg/cm3]

HBL 　のガンマ線は、シンクロトロン光子の叩き上げで出る（ Synchrotron self-Compton: SSC ）

LSSC

Lsync UB

= Usync B ～ 0.1 [G]

sync = 1.2×106 B max 　 ~ 1018

[Hz] max = 105-6

種光子の源　（種光子の源　（ QHB QHB の場の場合）合）

シンクロトロン SSC

ERC

Kubo 1997

- SSC だけでは全く足りない- Usync ～ 10 –2 [erg/cm3] < Uext ～ 10-1 [erg/cm3]

External Radiation Compton (ERC) が卓越

電子の最大加速エネルギー電子の最大加速エネルギー

磁場が強いので（ B ～ 0.1G ）、冷却と加速の釣り合いで決まる

tcool() = 4 (UB + Usync + UBLR ) T

3me c

tacc() ∝ n (n > 0 の定数 )

max (∝ UB + Usync+ UERC) –1/(n+1)

“ 暗い”ブレーザー : max = 10 5-6 　 　

“ 明るい” ブレーザー : max = 10 2-3 　 　

暗い天体のジェットほど、ピュアな加速環境を提供

∝

ブレーザー放射のモデル化ブレーザー放射のモデル化

近年の観測から分かったこと

- sub-pc ジェットでは磁場が強く、放射と冷却の釣り合いで　電子の振る舞い（時間発展）が決まる

- 放射は R ～ 1016 cm の領域で生じる。 conical ジェット ( 母 を仮定すると、 B.H から 1017-18 cm の距離 (sub-pc) に相当

- 多くの電波銀河でジェットが遥か遠方まで伸びていることを　考慮すると、 sub-pc で散逸するエネルギーは、ごく僅か

新しい時間発展モデルの構築へ

Step (1) : Step (1) : 内部衝撃波内部衝撃波

R ~ 100 D0

~ 1016 [cm]

d ~ D0

B.H.shock

m

D0 ～ Rg

- ブラックホール近傍 ( ～ Rg) 　から、速度分散をもつシェル放出

- 衝突前後で、エネルギーと運動量が保存

- 衝突で生じた内部エネルギー 電子のランダム運動

フレアの生成フレアの生成

- ブロッブが主に衝突する距離は　 D ~ 103-4 D0 = 1017-20 [cm]

- ｍ = 10, D0 = 3×1013 [cm]

- 母母母母母母母母母母母母母母母母母母母母母母母母

Tanihata 2002

１日スケールのフレア

フレアの数

内部エネルギー

フレアの時間スケール(ksec)

log D (cm)

Step (2) : Step (2) : 時間発展 時間発展 SSCSSC 　モデ　モデル ル

放射領域 (tcool )

escape: tesc m

観測者

Jet axis

電子の時間発展を逐次的に解く

tNe(, t)

=

[(sync + SSC) Ne(, t)] Ne(, t)

tesc

+ Q(, t ) -

シンクロトロンSSC

加速領域からの注入 escape

B=0.1GR=1016cm…

加速領域 (tacc )

Kataoka 2000

シミュレーションの一例シミュレーションの一例 : : Mrk 501Mrk 501

- X 線とガンマ線の相関を、　 完全に再現

- ジェットパラメータ B ~ 0.1 [G], R ~ 1016 [cm]max ~ 3×105

max ~ 6×106

-　　 変動は、 max に対応する　　 X 線と TeV ガンマ線で最大

　フレア時

PKS2155-304PKS2155-304 の時間発展の時間発展 Kataoka et al. 2000

ここまでのまとめここまでのまとめ

- sub-pc スケールジェットの放射機構については、ほぼ 完璧に理解できた （…と勝手に自負してる　）

- ジェットのもっと根元、あるいは先端についても、最近　理解が急速に進んでいる

ジェットをもつ活動銀河の中心ブラックホール

kｐｃジェット、ホットスポットの放射機構

目標：　「ジェットを“丸ごと”理解する」

AGNAGN ブラックホール質量の見積もブラックホール質量の見積もりり

ブラックホールの基本的な物理量： 　質量と降着率

- 降着率の指標 : 　　　　　　　　　　　　　 AGN の「明るさ」- 質量の指標 : ???

質量の見積もり –　 (i) : 簡単かつ明解な方法

106 ( )1044 [erg/s]

LAGN 109 ( )104 [s]

tvar

MM

< <

エディントン光度 シュワルツシルド 半径

AGN の明るさと、変動の時間スケールを測る

3C273 3C273 の例の例

Big Blue Bump

- 最初に見つかったクェーサー天体 ( z= 0.16 )- ブレーザーにもかかわらず、降着円盤の放射も見える

6×108 M < M < 3×1010 M 不定性が大きい

Kataoka et al. 2002

synchrotron SSC or ERC

質量の見積もり – 質量の見積もり – ((ii)ii)

時間変動のスケーリング則 　（ e.g. Hayashida et al. 1998 ）

Stellar-mass B.H.

t1t2

活動銀河 B.H.

たとえば 　 Cyg X-1 では t1 ～ 1 ms 活動銀河では t2 ～ 10 4 s

M1 : M2 = t1 : t2 を仮定する

M2 = 108 M

- 大前提の“仮定”の検証が困難 - ビーミングしてると成り立たない

質量の見積もり – 質量の見積もり – ((iii) : M – iii) : M – 相関法相関法Gebhardt et al. 2000

- ブラックホール質量と、母銀河の星の速度分散に相関

速度分散 vs 質量バルジ輝度 vs 質量

- ブレーザーを含め、あらゆる AGN に適用可能

MBH = (1.5 ± 0.2)×108 (/200)4.70.5 M

ブレーザーのブラックホール質ブレーザーのブラックホール質量量

Mrk 501

NGC 5831

電波銀河

ブレーザー

- 　電波銀河もブレーザーも、母母母母母母

Mrk 501 … (8.5 ± 3.2)×108 M

108 109

ex. Mrk 421 … (3.2 ± 1.5)×108 M- セイファートより、だいぶ大きめ　（その割に暗い？）

Falomo et al. 2002

Large Large スケールジェットからのスケールジェットからの XX 線放線放射射

- z= 0.1 の AGN … 1” = 2 kpc Chandra では分解可能 (18 天体 )

pictor A

PKS0637-752 3C273 PKS1127-145

Cen A

33C303 C303 のホットスポットのホットスポット

電波 X 線 (chandra)

- z = 0.14 の電波銀河（ BLRG 　）。 2001 年 3月、 15 ksec 観測

ノット

Hot Spot

45 kpc

bgdQSO

Kataoka & Edwards 2003

- ホットスポットの サイズが測られている (2.3’’×3.1’’ ～ 8 kpc)

　 diffuse halo?

- ジェットの終点ゆえ、ビーミングしていない

ホットスポットからの非熱的放ホットスポットからの非熱的放射射

chandra

ERC(CMB)

SSC

- X 線と電波は、滑らかにつながらない 別の放射機構

Usync ~ 8×10 -14 [erg/cm3] < UCMB

X 線は CMB 　の叩き上げで出る

LX

UB

= UCMB

Lradio

1.5 < B < 6.7 G

シンクロトロンのピークは1014-16 Hz にあるので電子の加速エネルギーmax 　が求まる

ホットスポット内での加速ホットスポット内での加速

電波銀河（ hot spot ）ブレーザー (sub-pc)

Log B [G]

Log

m

ax

- 電波銀河のホットスポットは、磁場が弱く (B ～ 10 G) 領域サイズが大きい (R > 1 kpc)

- sub-pc 　ジェットに比べ、放射冷却が殆ど効かない

- 10-100 TeV までの 加速が可能

- ブレーザーを超える 加速器3C303

電子の放射冷却時間電子の放射冷却時間L

og 冷

却時

間（

秒）

Log 　放射領域サイズ (pc)

tcool() ～ 4 UCMB T 3me c = 7.5×1019 max

-1 [sec]

電子の走行可能距離

d ～ ctcool

　　～ 10-70 kpc

ホットスポットの内部(R< 10 kpc) で十分拡散可能

3C303

ジェットの“運ぶ”エネルギージェットの“運ぶ”エネルギー

- Sub-pc スケールLkin = R2c BLK

2Ue = 1042-45 [erg/s]

- Black Hole: 108-9 M

- ホットスポットLkin = R2c Ue = 1046-48 [erg/s]

Ledd ～ Lkin(@hot spot) >> Lkin (@sub-pc)

Ledd = 1046-47 [erg/s]

しかし、クェーサーを除いては意外に暗い ( Lrad << Ledd)

エネルギーが sub-pc, hot spot で保存しない？

熱的粒子から非熱的粒子へ熱的粒子から非熱的粒子へ

1 10 102 104 105 106

E 熱的1

10-2

10-4

10-6

10-8

- sub-pc では、内部衝撃波で解放される エネルギーは全体の 1% 以下　

- ホットスポット では、外部衝撃波 で　 輸送エネルギーの大部分が解放

電子のローレンツ因子

電子

の個

数

103

- ブラックホール近傍からは、 Ledd と同程度　のエネルギーがジェットとして噴出す

結論結論

- ブレーザー天体の放射は、 sub-pc 領域で生ずる。　（ 108-9 M のブラックホールでは　 103-4 Rg 　に相当）

- sub-pc スケールの放射は、時間変動の仕方を含め　 SSC/ERC モデルで良く説明される。

-　　 電波銀河の大規模ジェット・ホットスポットは効率の良い 　粒子の加速源である。 ジェットによって輸送された大部分　の粒子は、ここで初めて放射を行う。