来自耀变体的伽马射线和中微子的强子起源：多信使效应与观测限制

《Astroparticle Physics》：Hadronic origin of gamma rays and neutrinos from blazars: Multi-messenger implications and observational constraints

　　

摘要

我们研究了来自强子活跃类星体（blazars）的超高能宇宙射线（UHECRs）产生的宇宙成因伽马射线和中微子是否能够显著贡献于观测到的光谱能量分布（SED），并探讨了切伦科夫望远镜阵列天文台（CTAO）探测和区分这一成分的潜力。针对Rodrigues等人（2024年）建模的四个中微子辐射较强的类星体——AP Librae、TXS 1700+685、PKS 2326?502和PKS 2345?16，我们通过以下条件限制了UHECR的亮度：总辐射不超过多波长数据的范围，假设粒子在光学薄的大尺度喷流中加速，并通过现实的银河系及外星系磁场传播。我们预测CTAO的表现表明，宇宙成因伽马射线在最高能量（10²⁰ eV）时贡献了大约7.5%的总伽马射线辐射，因此在SED中仍然处于次要地位。相比之下，相关的中微子辐射约为10⁴⁴至10⁴⁶ erg s^?1，为强子加速提供了明确的传播特征。我们对CTAO进行了50小时的模拟实验，结果显示该天文台能够准确重建伽马射线光谱，从而对UHECR的强子起源和传播过程提供了有力约束。这些结果展示了结合CTAO的伽马射线测量数据与中微子观测数据来探究类星体强子过程的强大能力。

引言

类星体是一类活跃星系核（AGNs）的子类，其特征是相对论性喷流接近我们的视线方向。这些喷流是宇宙中能量最高的粒子加速器之一，能够产生从无线电波到极高能（VHE）伽马射线的整个电磁波段的辐射 ([1], [2], [3])。它们的宽带辐射传统上被解释为轻子过程的结果，其中同步辐射和逆康普顿过程主导了观测到的光谱。然而，越来越多的多信使证据表明类星体也是高能中微子的来源，这意味着它们的辐射过程中包含了强子或轻子强子成分。这种联系重新激发了对强子模型的兴趣，这些模型能提供更全面和详细的相对论性喷流中粒子加速和辐射机制的描述 ([4], [5], [6], [7], [8], [9], [10], [11], [12])。

类星体也被提出可能是超高能宇宙射线（UHECR）的潜在来源，这些射线的能量可高达约10²⁰ eV。在这些系统中，由超大质量黑洞产生的相对论性喷流可以通过扩散激波（一级费米）或随机（二级费米）加速过程将带电粒子加速到接近光速。加速后的粒子可能与喷流内的强烈光子场或中心引擎附近的环境物质相互作用，通过^pγ或^pp等强子途径产生高能伽马射线和中微子 ([13], [14], [15], [16], [17])。

在这些极端环境中，强子过程在塑造类星体的多信使特征中起着关键作用。当UHECR（主要是质子）与喷流内产生的密集辐射场相互作用时，会发生光子强子反应（^pγ反应），从而产生介子。中性π介子迅速衰变成高能伽马射线对，从而构成了这些源观测到的伽马射线辐射。相比之下，带电π介子衰变成μ子，随后又衰变成电子、正电子和中微子，建立了高能光子流和中微子流之间的直接联系 ([18], [19], [8], [20], [7])。

UHECR还可能与相对论性喷流内或周围的周围物质发生非弹性质子-质子碰撞（^pp碰撞）。这些相互作用同样导致π介子的产生，进而通过类似的衰变链产生次级伽马射线和中微子 (^pγ和^pp过程 ([21], [22])。从类星体TXS 0506+056等源检测到高能中微子为这些系统中的强子活动提供了有力证据，这标志着多信使天体物理学的一个里程碑 ([23], [24], [25])。从同一天体源同时观测到伽马射线和中微子不仅支持了类星体对UHECR群体有贡献的假设，而且还为我们提供了关于其喷流的极端物理条件的宝贵信息，如磁场强度、光子密度和流出的重子组成。

最近的观测，包括KM3NeT天文台对超高能宇宙中微子KM3 230213 A的探测，为极端天体物理环境提供了宝贵信息 ([26], [27])。虽然初步评估认为这一事件具有宇宙成因，但最新研究表明这种解释并不简单。具体来说，要将这个中微子归因于宇宙成因过程，必须在最高能量处存在次要的质子成分，因为重核通过光子-π介子产生高能中微子的效率要低得多。因此，要将观测到的中微子能量和通量与现有的宇宙射线数据相吻合，就需要来自遥远且强大的UHECR加速器的贡献，以及这一关键质子成分的参与。因此，在没有具体成分限制的情况下，不能直接假设宇宙成因是默认情景，直接的天体物理产生机制是一个极具竞争力的替代方案。最终，这些在确定单个UHE中微子事件确切起源时的复杂性强调了多信使观测在限制UHECR源的本质、组成和宇宙演化方面的关键重要性，同时也提高了我们对其在宇宙距离上传播的理解 ([28])。

本研究探讨了由类星体产生的UHECR传播过程中负责产生伽马射线和中微子的强子过程。研究考察了当前的理论框架以及支持这些情景的观测证据。理解这些机制对于阐明最极端宇宙粒子加速器的本质至关重要。本研究的主要目标是评估UHECR传播对宇宙成因粒子（即伽马射线和中微子）产生的贡献，并量化由此产生的次级通量对每个类星体SED的影响。此外，我们评估了CTAO探测这些伽马射线特征的能力，并分析了在其能量范围内单个源的可观测性 ([29])。

揭示UHECR的起源并确立其与类星体的联系需要一个多信使框架，该框架将内在的发射过程与宇宙传播效应结合起来。本研究旨在通过量化不同信使之间的相互依赖性，对选定的类星体中的强子情景进行自洽测试。为此，本文围绕三个核心目标组织：利用Rodrigues等人[12]的轻子-强子模型中的μ子-中微子通量预测，推导出我们的源样本的中微子亮度 L_ν 和相应的超高能宇宙射线亮度 L_UHECR；通过详细的三维外星系（EGMF）和银河系（GMF）磁场模型，计算注入的UHECR的总存活分数 < /> 以及由此产生的宇宙成因伽马射线和中微子通量；并测试CTAO重建内在和宇宙成因伽马射线光谱的能力，以及对其进行50小时曝光的强子加速情景的限制。本文的结构如下：第2节描述了实现这些目标所使用的方法论，包括源选择、UHECR传播模拟和CTAO观测模拟。第3节展示了这些模拟的结果，第4节讨论了结果并进行了总结。

章节片段

方法论

本节介绍了数值模拟设置和采用的方法论，用于将UHECR源的属性与产生的次级伽马射线通量联系起来。分析包括UHECR传播的模拟及其相关宇宙成因次级通量的计算，这些计算取决于本研究中考虑的每个源的距离。CRPropa3代码 ([30]) 是UHECR研究社区中广泛使用的框架

结果

在本节中，我们展示并解释了为四个选定类星体获得的结果，重点讨论了它们作为UHECR加速器的潜在作用。我们讨论了从模拟中得出的相应宇宙成因伽马射线和中微子通量，以及这些源未来被CTAO探测到的可能性。

讨论与结论

本研究对四个中微子辐射较强的类星体（AP Librae、TXS 1700+685、PKS 2326-502和PKS 2345-16）的强子情景进行了自洽的多信使测试。我们结合了轻子-强子源建模 ([12])、CRPropa3传播模拟和CTAO观测预测，实现了三个相互关联的目标：通过要求总辐射不超过多波长数据的范围来限制UHECR的亮度，假设粒子在光学薄的大尺度喷流中加速

CRediT作者贡献声明

Rodrigo Sasse：撰写 – 原始草稿、软件开发、项目管理、方法论制定、调查、数据分析、概念化。R.C. dos Anjos：撰写 – 审稿与编辑、监督、概念化。

未引用的参考文献

Aharonian等人 [53]

利益冲突声明

作者声明以下可能的财务利益/个人关系：Rodrigo Sasse报告称获得了高等教育人员协调机构（Coordena??o for the Improvement of Higher Education Personnel）的财务支持。Rita de Cassia dos Anjos报告获得了巴拉那联邦大学（Federal University of Parana）的财务支持。如果有其他作者，他们声明没有已知的潜在财务利益或个人关系

致谢

R.S.感谢巴西高等教育人员协调机构（Coordena??o de Aperfei?oamento de Pessoal de Nível Superior – Brasil (CAPES)的财务支持（财务代码001）。R.S.和R.C.A.感谢巴拉那科学、技术及创新基金会（Funda??o de Apoio à Ciência, Tecnologia e Inova??o do Paraná）的“极端宇宙现象”（NAPI “Fen?menos Extremos do Universo”）的支持。R.C.A.的研究得到了CAPES/Alexander von Humboldt计划（88881.800216/2022-01）、CNPq（308859/2025-1）和（4000045/2023-0）、Araucária基金会（698/2022）和（721/2022）以及FAPESP（2021/01089-1）的支持。

Rodrigo Sasse|R.C. dos Anjos