Karl Mannheim- The UV drag on hadronic hot jets as the origin of X-ray irradiation in AGN

8/3/2019 Karl Mannheim- The UV drag on hadronic hot jets as the origin of X-ray irradiation in AGN

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astro-ph/9411086

21Nov1994

A & A m a n u s c r i p t n o .

( w i l l b e i n s e r t e d b y h a n d l a t e r )

Y o u r t h e s a u r u s c o d e s a r e :

0 2 . 0 1 . 1 ; 0 2 . 0 5 . 1 ; 1 1 . 1 0 . 1 ; 1 1 . 1 7 . 3 , 1 2 . 0 4 . 2 ; 1 3 . 2 5 . 3

A S T R O N O M Y

A N D

A S T R O P H Y S I C S

3 0 . 9 . 1 9 9 4

T h e U V d r a g o n h a d r o n i c h o t j e t s a s t h e o r i g i n o f X - r a y

i r r a d i a t i o n i n A G N

K a r l M a n n h e i m

U n i v e r s i t a t s - S t e r n w a r t e , G e i s m a r l a n d s t r . 1 1 , D { 3 7 0 8 3 G o t t i n g e n , G e r m a n y

I n t e r n e t : k m a n n h e @ u n i - s w . g w d g . d e

A b s t r a c t . I n t h i s p a p e r I c a l c u l a t e t h e a n i s o t r o p i c u x

o f c a s c a d e r a d i a t i o n p r o d u c e d b y a n i s o t r o p i c d i s t r i b u t i o n

o f h i g h l y r e l a t i v i s t i c p r o t o n s i m m e r s e d i n t h e p h o t o n e l d

o f a s p a t i a l l y s e p a r a t e d p o i n t s o u r c e . M o s t r a d i a t i o n i s

p r o d u c e d t o w a r d s t h e s o u r c e o f t h e t a r g e t p h o t o n s .

A n a s t r o p h y s i c a l a p p l i c a t i o n o f t h i s r e s u l t i s X - r a y i r -

r a d i a t i o n o f A G N a c c r e t i o n d i s k s b y h i g h l y d i s s i p a t i v e n u -

c l e a r j e t s . L o w M a c h n u m b e r j e t s c o n v e r t a l a r g e f r a c t i o n

o f t h e i r k i n e t i c p o w e r i n t o r e l a t i v i s t i c p a r t i c l e s v i a r e s o -

n a n c e w i t h M H D t u r b u l e n c e . C o n s e q u e n t l y , t h e s e j e t s d o

n o t s h o w u p a s r a d i o j e t s o n l a r g e s c a l e s .

P r o t o n s c a n e a s i l y r e a c h h i g h e n e r g i e s b y s t o c h a s t i c

a c c e l e r a t i o n i n t h e t u r b u l e n t j e t p l a s m a , w h e r e a s s e v e r e

e n e r g y l o s s e s m a k e i t v e r y d i c u l t f o r t h e e l e c t r o n s t o

b e a c c e l e r a t e d a t a l l . P r o t o n a c c e l e r a t i o n s a t u r a t e s a t t h e

t h r e s h o l d e n e r g y f o r p h o t o - p r o d u c t i o n o f s e c o n d a r y p a r t i -

c l e s i n t h e r a d i a t i o n e l d o f t h e i n n e r a c c r e t i o n d i s k . T h e

e n e r g e t i c s e c o n d a r i e s i n i t i a t e a n a n i s o t r o p i c e l e c t r o m a g -

n e t i c c a s c a d e .

T h e b a c k w a r d c a s c a d e u x i s r e p r o c e s s e d b y t h e u n d e r -

l y i n g a c c r e t i o n d i s k . T h e s m a l l f r a c t i o n o f c a s c a d e - r a y s

e m i t t e d i n t h e f o r w a r d d i r e c t i o n i s c o n s i s t e n t w i t h - r a y

u x l i m i t s f o r S e y f e r t g a l a x i e s a n d w i t h t h e s p e c t r u m o f

t h e d i u s e c o s m i c p h o t o n u x a t h i g h e n e r g i e s .

K e y w o r d s : a c c e l e r a t i o n o f p a r t i c l e s { e l e m e n t a r y p a r t i -

c l e s { g a l a x i e s : j e t s { q u a s a r s : g e n e r a l { d i u s e r a d a t i o n {

X - r a y s : g e n e r a l

1 . I n t r o d u c t i o n

1 . 1 . R e l a t i v i s t i c p r o t o n s a n d - r a y s

I n s i t u o b s e r v a t i o n s o f c o s m i c r a y s h a v e s h o w n t h a t t h e

e n e r g y d e n s i t y o f h i g h l y r e l a t i v i s t i c p a r t i c l e s i n t h e i n -

t e r s t e l l a r m e d i u m i s d o m i n a t e d b y b a r y o n s a n d t h a t t h e

e n e r g y s p e c t r u m e x t e n d s t o e n e r g i e s o f a t l e a s t 1 0

2 0

e V

T h i s w e l l - e s t a b l i s h e d e m p i r i c a l r e s u l t h a s i n t h e p a s t l e d

m a n y a u t h o r s ( e . g . , B u r b i d g e 1 9 5 6 ) t o c l a i m t h a t t h e r e l -

a t i v i s t i c p a r t i c l e p o p u l a t i o n s i n n o n - t h e r m a l e x t r a g a l a c t i c

r a d i o s o u r c e s a r e a l s o d o m i n a t e d b y b a r y o n s .

I t w a s s o o n r e c o g n i z e d , h o w e v e r , t h a t t h e l e p t o n s r e s p o n -

s i b l e f o r t h e r a d i o s y n c h r o t r o n e m i s s i o n c o u l d n o t r e s u l t

a s s e c o n d a r y p a r t i c l e s f r o m p r o t o n - m a t t e r c o l l i s i o n s , s i n c e

t h e m a t t e r d e n s i t y i n e x t r a g a l a c t i c r a d i o s o u r c e s i s b y

f a r t o o l o w ( P e r o l a 1 9 6 9 ) . I t w a s t h e r e f o r e a s s u m e d t h a t

e l e c t r o n s c a n b e e c i e n t l y a c c e l e r a t e d a s w e l l a s p r o t o n s .

T h e p r o t o n / e l e c t r o n e n e r g y d e n s i t y r a t i o d e p e n d s o n u n -

k n o w n d e t a i l s o f t h e n o n - l i n e a r p l a s m a p r o c e s s e s w h i c h

p r e - a c c e l e r a t e p a r t i c l e s a b o v e t h e t h r e s h o l d f o r t h e h i g h

e n e r g y a c c e l e r a t i o n m e c h a n i s m .

H o w e v e r , t h e c o e x i s t e n c e o f h i g h l y r e l a t i v i s t i c p r o t o n s

a n d e l e c t r o n s i n t h e p l a s m a o f e x t r a g a l a c t i c r a d i o j e t s

l e a d s t o a h i g h e n e r g y e x t e n s i o n o f t h e r a d i o / o p t i c a l s y n -

c h r o t r o n e m i s s i o n d u e t o X - / - r a y s y n c h r o t r o n c a s c a d e

e m i s s i o n ( M a n n h e i m e t a l . 1 9 9 1 ) . T h e l o w e n e r g y s y n -

c h r o t r o n p h o t o n s c o n s t i t u t e a t h i c k t a r g e t f o r t h e p r o t o n s

w h i c h c o o l b y p h o t o p r o d u c t i o n o f v e r y e n e r g e t i c s e c o n d a r y

p a r t i c l e s .

R e c e n t l y , C G R O a n d W h i p p l e m e a s u r e m e n t s h a v e

s h o w n t h a t r a d i o j e t s o r i e n t e d a t s m a l l a n g l e s t o t h e l i n e

o f s i g h t a r e i n d e e d p o w e r f u l s o u r c e s o f c o n t i n u u m s p e c -

t r a e x t e n d i n g o v e r a l m o s t 2 0 o r d e r s o f m a g n i t u d e i n f r e -

q u e n c y { f r o m r a d i o f r e q u e n c i e s t o T e V p h o t o n e n e r g i e s

( F i c h t e l e t a l . 1 9 9 4 , P u n c h e t a l . 1 9 9 2 ) . T h e e n e r g y u x o f

t h e - r a y r a d i a t i o n c a n e x c e e d t h e e n e r g y u x o f t h e r a -

d i o / o p t i c a l s y n c h r o t r o n s p e c t r u m b y a f a c t o r o f t h e o r d e r

o f 1 0 0 . S i m i l a r l y , t h e e n e r g y d e n s i t y r a t i o o f p r o t o n s a n d

e l e c t r o n s o f t h e l o c a l c o s m i c r a y p a r t i c l e s i s u

p

= u

e

' 1 0 0 .

W i t h s u c h l a r g e v a l u e s o f t h e p r o t o n / e l e c t r o n r a t i o t h e

p r o t o n - i n i t i a t e d c a s c a d e ( P I C ) m o d e l c a n e x p l a i n s p e c t r a

a n d t e m p o r a l v a r i a b i l i t y o f t h e o b s e r v e d - r a y e m i s s i o n

( M a n n h e i m & B i e r m a n n 1 9 9 2 , M a n n h e i m 1 9 9 3 a , b ) .

A t p r e s e n t , i t i s u n c l e a r w h e t h e r j e t s a t g r e a t e r a n -

g l e s t o t h e l i n e o f s i g h t , i . e . s t e e p s p e c t r u m r a d i o s o u r c e s ,

a l s o s h o w - r a y e m i s s i o n a s p r e d i c t e d . E x p e r i m e n t a l l y , t h e

p r o b l e m i s t h a t t h e u x f r o m j e t s p o i n t i n g t o w a r d s t h e o b -

s e r v e r i s s t r o n g l y a m p l i e d d u e t o r e l a t i v i s t i c b u l k m o t i o n


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2 K a r l M a n n h e i m : T h e U V d r a g o n h a d r o n i c h o t j e t s a s t h e o r i g i n o f X - r a y i r r a d i a t i o n i n A G N

o f t h e e j e c t e d j e t p l a s m a a n d t h a t t h e r e f o r e t h e - r a y u x

f r o m j e t s a t l a r g e a n g l e s i s c o m p a r a t i v e l y w e a k . A t X -

r a y p h o t o n e n e r g i e s e x p e r i m e n t s a r e m o r e s e n s i t i v e a n d ,

i n d e e d , H a r r i s e t a l . ( 1 9 9 4 ) s u c c e e d e d i n m e a s u r i n g X -

r a y e m i s s i o n f r o m t h e h o t s p o t s i n t h e j e t o f C y g A w i t h

t h e R O S A T H i g h R e s o l u t i o n I m a g e r . T h e X - r a y u x i s i n

a c c o r d w i t h t h e m o d e l p r e d i c t i o n o f p r o t o n - i n i t i a t e d c a s -

c a d e s , b u t c o u l d a l s o b e d u e t o s y n c h r o t r o n - s e l f - C o m p t o n

e m i s s i o n .

O n t h e b a s i s o f t h e s e e m p i r i c a l f a c t s i t i s p r o p o s e d t h a t

t h e e n e r g y d e n s i t y o f r e l a t i v i s t i c p a r t i c l e s i n j e t s i s d o m i -

n a t e d b y p r o t o n s . I t f o l l o w s t h a t j e t s m u s t b e c o n s i d e r e d

a s a s o u r c e o f h i g h e n e r g y c a s c a d e e m i s s i o n c o n t r i b u t i n g

t o t h e t o t a l e m i s s i o n o f A G N .

1 . 2 . A G N w i t h d i s k s a n d j e t s

A c c e l e r a t i o n o f n o n t h e r m a l p a r t i c l e s i s m o s t e c i e n t i n s u -

p e r s o n i c a s t r o p h y s i c a l j e t o w s . J e t s c o u l d t h e r e f o r e h o l d

t h e c l u e t o t h e p u z z l i n g n o n t h e r m a l p r o p e r t i e s o f A G N .

A k e y q u e s t i o n i s w h e t h e r j e t s a r e u n i v e r s a l i n A G N a s

s u g g e s t e d b y m o d e l s w h e r e t h e a n g u l a r m o m e n t u m o f t h e

a c c r e t e d m a t e r i a l i s t r a n s p o r t e d a w a y b y a r o t a t i n g M H D

w i n d ( B l a n d f o r d & P a y n e 1 9 8 2 , P u d r i t z 1 9 8 5 , L o v e l a c e e t

a l 1 9 8 7 , K o n i g l 1 9 8 9 , P e l l e t i e r & P u d r i t z 1 9 9 2 , F e r r e i r a

& P e l l e t i e r 1 9 9 3 ) . I f s o , t h e n o n t h e r m a l r a d i a t i o n o f A G N

c o u l d b e r a d i a t i o n f r o m a n u n r e s o l v e d n u c l e a r j e t ( C a m e n -

z i n d & C o u r v o i s i e r 1 9 8 3 , A n t o n u c c i 1 9 9 3 , S i e m i g i n o w s k a

& E l v i s 1 9 9 4 , M a n n h e i m 1 9 9 4 a ) . T h e h i g h e n e r g y e m i s s i o n

d u e t o p r o t o n s c o u l d t h e n b e v e r y i m p o r t a n t .

I n a c c o r d w i t h t h e a b o v e m o d e l s o f c o u p l e d a c c r e -

t i o n / e j e c t i o n s y s t e m s t h e j e t s o f r a d i o - l o u d A G N n o t o n l y

s e e m t o b e e n e r g e t i c a l l y i m p o r t a n t , b u t t h e y a l s o s e e m t o

b e e n e r g e t i c a l l y l i n k e d t o t h e a c c r e t i o n o w f e e d i n g t h e

p u t a t i v e s u p e r m a s s i v e b l a c k h o l e a t t h e c e n t e r . R a w l i n g s

& S a u n d e r s ( 1 9 9 1 ) a n d C e l o t t i & F a b i a n ( 1 9 9 3 ) f o u n d t h e

r e l a t i o n L

n r

= Q 0 0 1 b e t w e e n t h e l u m i n o s i t y e m i t t e d i n

n a r r o w f o r b i d d e n l i n e s L

n r

a n d t h e k i n e t i c p o w e r o f t h e

j e t Q . T h e n a r r o w l i n e s r e - e m i t o n l y a v e r y s m a l l f r a c t i o n

o f t h e t o t a l l u m i n o s i t y o f i o n i z i n g p h o t o n s , i . e . t y p i c a l l y

L

u v

= 1 0 0 L

n r

. H e n c e o n e o b t a i n s t h e s t r i k i n g r e l a t i o n

L

u v

' Q ( 1 )

R e m a r k a b l y , t h e e m e r g e n c e o f p o w e r f u l j e t s o n l a r g e

s c a l e s , w h i c h i s c h a r a c t e r i s t i c f o r r a d i o - l o u d A G N , c a n n o t

b e r e a d o t h e p r o p e r t i e s o f t h e t h e r m a l e m i s s i o n f r o m

A G N o f e i t h e r t y p e , r a d i o - l o u d o r r a d i o - q u i e t . I t i s h a r d

t o i m a g i n e t h a t t h e d i s k s t r u c t u r e , p r e s u m a b l y r e s p o n s i b l e

f o r m o s t o f t h e t h e r m a l e m i s s i o n , d o e s n o t b o t h e r t h e p r e s -

e n c e o f a p o w e r f u l j e t a t a l l . M o r e o v e r , i t i s o b v i o u s l y t h e

c a s e t h a t t h e r a d i a t i v e l o s s e s o f r a d i o j e t s a r e v e r y s m a l l

c o m p a r e d t o t h e i r k i n e t i c p o w e r , f o r o t h e r w i s e t h e y w o u l d

n o t b e a b l e t o p r o p a g a t e o v e r a d i s t a n c e o f a M p c

1

. T h i s

1

N o t e t h a t t h e c o m o v i n g f r a m e l u m i n o s i t y L = D

4

L

i s m u c h l e s s t h a n t h e a p p a r e n t l u m i n o s i t y L i n f e r r e d f r o m

i s a l m o s t m i r a c u l o u s a n d , a s a m a t t e r o f f a c t , i t i s q u i e t

p l a u s i b l e t o a s s u m e t h a t t h e m a j o r i t y o f j e t s s u e r s g r e a t

e n e r g y l o s s e s b y p r o p a g a t i n g t h r o u g h t h e c e n t r a l p a r s e c

o f t h e h o s t g a l a x y a n d n e v e r s h o w u p a s a r a d i o j e t .

I n d e e d , i f j e t s h a v e a l o w M a c h n u m b e r , t h e y b e c o m e

h i g h l y t u r b u l e n t a n d d i s s i p a t e m u c h o f t h e i r k i n e t i c p o w e r

r a d i a t i v e l y ( B i c k n e l l & M e l r o s e 1 9 8 2 , P e l l e t i e r & Z a n i n e t t i

1 9 8 4 ) . M H D t u r b u l e n c e t r a n s f e r s k i n e t i c p o w e r v i a i n s t a -

b i l i t i e s t o r e s o n a n t r e l a t i v i s t i c p a r t i c l e s . O n e c a n t h e r e -

f o r e e x p l a i n t h e a b s e n c e o f p o w e r f u l r a d i o j e t s i n r a d i o

q u i e t A G N b y a n i n i t i a l l y l o w M a c h n u m b e r o f t h e i r j e t s

( M a n n h e i m 1 9 9 4 a ) . S u c h t u r b u l e n t j e t s w o u l d b e h i d d e n i n

t h e c e n t r a l p a r s e c o f t h e A G N . O n l y a r e m n a n t b i c o n i c a l

w i n d d r i v e n b y t h e m o m e n t u m t r a n s f e r r e d t o t u r b u l e n t l y

e n t r a i n e d m a s s w o u l d s u r v i v e o n g r e a t e r s c a l e s . N u c l e a r

w i n d s a r e c o m m o n i n A G N a n d t h e i r e x i s t e n c e c a n s o l v e

t h e p r o b l e m o f t h e n e a r - c o n s t a n c y o f t h e i o n i z a t i o n p a -

r a m e t e r f r o m t h e B L R t o t h e N L R ( S m i t h 1 9 9 3 ) .

T h e r s t p r o b l e m a d d r e s s e d i n S e c t . 2 o f t h i s p a p e r i s

t o n d o u t h o w t h e k i n e t i c p o w e r o f t h e p u t a t i v e n u c l e a r

j e t s i n r a d i o - q u i e t A G N i s c o n v e r t e d t o h i g h e n e r g y e l e c -

t r o m a g n e t i c p o w e r . I t i s s h o w n w h y p r o t o n s m i g h t p l a y

s u c h a c r u c i a l r o l e . T h e j e t c o o l s b y p h o t o p r o d u c t i o n o f

s e c o n d a r y p a r t i c l e s i n t h e U V p h o t o n e l d o f t h e a c c r e -

t i o n d i s k . T h e s e c o n d p r o b l e m i s t o d e s c r i b e t h e s p e c t r u m

o f p h o t o n s f r o m t h e h a d r o n i c n u c l e a r j e t . S e c t . 3 t r e a t s

t h e p r o b l e m o f t h e a n g u l a r d i s t r i b u t i o n o f t h e p r o t o n -

i n d u c e d c a s c a d e r a d i a t i o n f r o m t h e j e t . R e s u l t s a p p l y t o

r e l a t i v i s t i c a n d n o n - r e l a t i v i s t i c j e t s a n d s h o w t h e t r a n s i -

t i o n f r o m f o r w a r d t o b a c k w a r d r a d i a t i o n w i t h d e c r e a s i n g

j e t s p e e d . F i n a l l y , S e c t . 4 d i s c u s s e s t h e r e s u l t s i n t h e l i g h t

o f r e c e n t C O M P T E L a n d E G R E T l i m i t s o f - r a y u x e s

f r o m S e y f e r t g a l a x i e s a n d t h e q u e s t i o n o f t h e c o s m i c h i g h

e n e r g y b a c k g r o u n d r a d i a t i o n .

2 . N u c l e a r j e t s a s p r o t o n a c c e l e r a t o r s

D u e t o M H D t u r b u l e n c e p o w e r f u l l o w M a c h n u m b e r j e t s

c a n d i s s i p a t e a w a y a l a r g e f r a c t i o n o f t h e i r k i n e t i c e n e r g y

b y r a d i a t i v e c o o l i n g ( B i c k n e l l & M e l r o s e 1 9 8 2 , P e l l e t i e r

& Z a n i n e t t i 1 9 8 4 ) . R a d i o - q u i e t A G N c o u l d b e e q u i p p e d

w i t h l o w M a c h n u m b e r j e t s s u e r i n g s h e a r a n d K e l v i n -

H e l m h o l t z i n s t a b i l i t i e s w i t h i n t h e c e n t r a l p a r s e c o f t h e i r

h o s t g a l a x y . F o r s u c h c o m p a c t n u c l e a r j e t s t u r b u l e n t c a s -

c a d e s t r a n s f e r k i n e t i c e n e r g y m o r e l i k e l y t o p r o t o n s . D u e

t o t h e i r e x t r e m e e n e r g y l o s s e s e l e c t r o n s h a v e d i c u l t i e s

t o o v e r c o m e t h e t h r e s h o l d e n e r g y f o r r e s o n a n t i n t e r a c t i o n

w i t h M H D u c t u a t i o n s { u n l e s s r a p i d p r o c e s s e s l i k e m a g -

n e t i c r e c o n n e c t i o n o r i n t e r a c t i o n w i t h W h i s t l e r w a v e s p r e -

a c c e l e r a t e t h e m e c i e n t l y . W h i l e i t i s e a s y t o t h i n k o f

a g e n e r a l i z a t i o n o f t h e m o d e l i n c l u d i n g e l e c t r o n a c c e l e r -

a t i o n , t h e e m p h a s i s o f t h i s p a p e r i s o n t h e m o r e l i k e l y

p r o t o n a c c e l e r a t i o n . N o t e , h o w e v e r , t h a t t h e b a s i c r e s u l t o f

o b s e r v a t i o n s a s s u m i n g i s o t r o p i c u n b e a m e d e m i s s i o n . D


3/11

K a r l M a n n h e i m : T h e U V d r a g o n h a d r o n i c h o t j e t s a s t h e o r i g i n o f X - r a y i r r a d i a t i o n i n A G N 3

S e c t . 3 , t h e a n i s o t r o p y o f p r o t o n i n d u c e d h i g h e n e r g y e m i s -

s i o n , i s s i m i l a r l y o b t a i n e d f o r C o m p t o n s c a t t e r i n g e l e c -

t r o n s ( G h i s e l l i n i e t a l . 1 9 9 1 ) .

T h e p r o t o n s a r e a c c e l e r a t e d u p t o t h e e n e r g y w h e r e

p h o t o p r o d u c t i o n l o s s e s i n t h e U V / s o f t X - r a y e l d o f t h e

a c c r e t i o n d i s k s e t i n . P h o t o p r o d u c e d p i o n s i n d u c e a n e l e c -

t r o m a g n e t i c c a s c a d e t h a t i r r a d i a t e s t h e a c c r e t i o n d i s k

f r o m a b o v e . A n o t h e r v a r i a n t o f t h i s s c e n a r i o w o u l d b e a

n u c l e a r j e t w i t h f o c a l s h o c k s a f e w h u n d r e d S c h w a r z s c h i l d

r a d i i a w a y f r o m t h e c e n t r a l e n g i n e w h e r e s h o c k a c c e l e r a -

t i o n o p e r a t e s ( P u d r i t z 1 9 9 2 ) . I n t h i s p h y s i c a l p i c t u r e j e t s

m a y h a v e t o b e c o n s i d e r e d a s d i s s i p a t i v e s t r u c t u r e s m a n i -

f e s t i n g t h e o u t w a r d t r a n s p o r t o f a n g u l a r m o m e n t u m o f a n

a c c r e t i o n o w .

2 . 1 . P h y s i c a l c o n d i t i o n s

P o w e r f u l j e t s e s t a b l i s h i n g a c e n t r i f u g a l b r e a k o n t h e a c -

c r e t i o n d i s k m u s t b e c o l l i m a t e d b y s t r o n g m a g n e t i c e l d s .

T h e a c c r e t i o n d i s k r a d i a t e s t h e l u m i n o s i t y

L

u v

= L

E d d

= 1 3 1 0

4 5

0 1

m

8

e r g s

1

( 2 )

w h e r e = 0 1

0 1

d e n o t e s a n u n k n o w n e c i e n c y f a c t o r o f

t h e a c c r e t i o n o n t o a b l a c k h o l e w i t h m a s s M = 1 0

8

m

8

M

E q u i p a r t i t i o n b e t w e e n t h e e n e r g y d e n s i t i e s o f t h e t h e r m a l

r a d i a t i o n e l d a n d t h e m a g n e t i c e l d a t t h e b a s e o f t h e

j e t a t R 1 0

2

r

2

R

G

w h e r e R

G

= 1 5 1 0

1 3

m

8

c m d e n o t e s

t h e S c h w a r z s c h i l d r a d i u s y i e l d s t h e e l d s t r e n g t h

B = 2 1 0

2

r

1

2

1

2

0 1

m

1

2

8

G ( 3 )

I f t h e j e t s u r v i v e s p a s s a g e t h r o u g h t h e c e n t r a l p a r s e c o f

t h e h o s t g a l a x y , i t p r o p a g a t e s t o v e r y l a r g e d i s t a n c e s a s a

r a d i o j e t . T h e e l d s t r e n g t h m e a s u r e d a t a s c a l e o f 1 k p c

f r o m E q . ( 3 ) i s B ( k p c ) = 1 0

4

G , i . e . B

d s

= 4 1 0

4

G

i n t h e d o w n s t r e a m p l a s m a o f a s t r o n g s h o c k w i t h c o m -

p r e s s i o n r a t i o r = 4 i n a g r e e m e n t w i t h r a d i o a n d X - r a y

o b s e r v a t i o n s o f h o t s p o t s ( M e i s e n h e i m e r e t a l . 1 9 8 9 , H a r r i s

e t a l . 1 9 9 4 ) .

A s s e r t i n g t h a t E q . ( 1 ) h o l d s t r u e f o r A G N i n g e n e r a l ,

i . e . t h a t t h e t h e r m a l l u m i n o s i t y e q u a l s t h e k i n e t i c p o w e r

o f a j e t , o n e o b t a i n s f o r t h e d e n s i t y o f p r o t o n s i n t h e j e t

n

p

= 3 1 0

8

0 1

m

1

8

3

0 3

r

2

2

c m

3

( 4 )

w h e r e t h e j e t s p e e d i s n o r m a l i z e d t o = 0 3

0 3

. E q . ( 4 )

e n t a i l s p a r t i c l e c o n s e r v a t i o n a l o n g t h e j e t a n d h o l d s t r u e

o n l y f o r t h a t p a r t o f t h e j e t w h e r e m a s s e n t r a i n m e n t c a n

b e n e g l e c t e d . F o r p o w e r f u l r a d i o j e t s m a s s c o n s e r v a t i o n

i s p r o b a b l y v a l i d o v e r t h e e n t i r e l e n g t h o f t h e j e t . T h e

t h e r m a l m a t t e r d e n s i t y i n t h e d o w n s t r e a m p l a s m a o f H o t

S p o t s h o c k s a t t h e k p c s c a l e i s t h e n g i v e n b y n

p d s

( k p c ) =

3 1 0

4

c m

3

i n a g r e e m e n t w i t h o b s e r v a t i o n s .

F o r l o w M a c h n u m b e r j e t s 1 < M

R M a b o v e t h e s l o w

m a g n e t o s o n i c p o i n t , i . e . a t

Z

m n

>

1 0 0 M r

2

R

G

( 5 )

I n c o n t r a s t , h i g h M a c h n u m b e r j e t s a r e p r o t e c t e d f r o m d i s -

r u p t i n g i n s t a b i l i t i e s b y a c o c o o n o f h o t b a c k o w i n g m a t e -

r i a l . B e y o n d Z

m n

p a r t i c l e s c a n s c a t t e r r e s o n a n t l y w i t h t h e

t u r b u l e n c e , i f t h e p a r t i c l e m o m e n t u m e x c e e d s t h e t h r e s h -

o l d ( L a c o m b e 1 9 7 7 )

p

= m

p

v

A

c ' 8 0

3

2

0 3

M e V = c ( 6 )

A c c e l e r a t i o n o f n o n t h e r m a l p a r t i c l e s i s p o s s i b l e w h e n t h e

e n e r g y l o s s e s a t p

a r e s m a l l e r t h a n t h e e n e r g y g a i n s d u e

t o s c a t t e r i n g . T h e a c c e l e r a t i o n t i m e s c a l e i s o f t h e o r d e r

o f

t

a c c

R

v

A

' 1 0

6

m

8

3

2

0 3

r

2

s ( 7 )

T h i s t i m e s c a l e i s r e l e v a n t t o 2

n d

o r d e r F e r m i a c c e l e r a -

t i o n o f p a r t i c l e s i n t e r a c t i n g w i t h f a s t m a g n e t o s o n i c w a v e s

g e n e r a t e d b y a K r a i c h n a n c a s c a d e t r a n s f e r r i n g e n e r g y r e -

l e a s e d i n K e l v i n - H e l m h o l t z o r s h e a r ( o r k i n k ) i n s t a b i l i -

t i e s t o w a r d s d i s s i p a t i o n s c a l e s . I n c l u d i n g A l f v e n - w a v e s o r

o t h e r t y p e s o f t u r b u l e n c e s p e c t r a i n t r o d u c e s a n e n e r g y d e -

p e n d e n c e o f t h e a c c e l e r a t i o n t i m e s c a l e a n d w o u l d t h e r e -

f o r e l e a d t o a m o r e c o m p l i c a t e d s c e n a r i o . H o w e v e r , d e t a i l s

o f t h e r e s u l t i n g p a r t i c l e s p e c t r u m a r e i r r e l e v a n t t o t h e b o t -

t o m l i n e o f t h e p a p e r .

N o w , a s t h e j e t l i f t s o t h e a c c r e t i o n d i s k i t w i l l d i v e r g e

t o s o m e e x t e n t a n d t h e m o r e t e n u o u s t h e p l a s m a b e c o m e s ,

t h e w e a k e r a r e t h e e n e r g y l o s s e s a t t h e t h r e s h o l d e n e r g y

f o r a c c e l e r a t i o n . T o o b t a i n t h e m i n i m u m d i s t a n c e f r o m

t h e j e t b a s e w h e r e a c c e l e r a t i o n w i n s o v e r e n e r g y l o s s e s

o n e m u s t c o m p a r e t

a c c

w i t h t h e e n e r g y l o s s t i m e s c a l e s

f o r v a r i o u s c o o l i n g c h a n n e l s o f t h e m o s t r e l e v a n t p a r t i c l e

s p e c i e s , p r o t o n s a n d e l e c t r o n s .

F o r p r o t o n s e n e r g y l o s s e s d u e t o C o u l o m b c o l l i s i o n s

w i t h t h e r m a l e l e c t r o n s h a v e t o b e c o n s i d e r e d . F o r e l e c -

t r o n s s y n c h r o t r o n a n d i n v e r s e - C o m p t o n l o s s e s a r e m o s t

i m p o r t a n t .

T h e p r o t o n t h r e s h o l d v e l o c i t y

p

( i n t h e c o m o v i n g

u i d f r a m e ) i s n o n r e l a t i v i s t i c a n d i s g i v e n b y

p

= 8 5

1 0

2

3

2

0 3

. D u e t o t u r b u l e n t a n d C o m p t o n h e a t i n g t h e t e n -

u o u s j e t p l a s m a i s a s s u m e d t o b e v e r y h o t w i t h a t e m p e r -

a t u r e o f T ' 1 0

9

K . T h i s y i e l d s t h e C o u l o m b l o s s t i m e

f o r p r o t o n s a t t h e a c c e l e r a t i o n t h r e s h o l d ( M a n n h e i m &

S c h l i c k e i s e r 1 9 9 4 b )

t

c o u l

= 1 3 1 0

6

1

0 1

m

8

3

0 3

r

2

2

T

3

2

9

s ( 8 )

E q . ( 8 ) i s v a l i d a s l o n g a s T

9

= T = 1 0

9

K 1 8 1 0

2

3

0 3

T h e b r e m s s t r a h l u n g l u m i n o s i t y o f t h e t h e r m a l j e t p l a s m a

i s s t i l l u n o b s e r v a b l e , v i z . L

L


4/11


o f t h e d i u s i o n c o e c i e n t i s g i v e n b y D

(

p

) =

2

p

= ( 4 t

a c c

)

T h u s , E q s . ( 8 ) a n d ( 9 ) h a v e t o b e i n s e r t e d i n t o t h e c o n d i -

t i o n f o r a c c e l e r a t i o n

4 t

a c c

< t

l o s s

( 1 0 )

E q . ( 1 0 ) i s s a t i s e d f o r p r o t o n s a c c e l e r a t e d a t a j e t r a d i u s

r

2

> 3

0 1

9

2

0 3

T

3

2

9

( 1 1 )

a n d f o r e l e c t r o n s a t

r

2

> 1 0

5

0 1

( 1 2 )

H e n c e i t f o l l o w s t h a t u n d e r t h e a s s u m p t i o n s s t a t e d i n

t h e p r e c e d i n g p a r a g r a p h s s t o c h a s t i c p r o t o n a c c e l e r a t i o n

i s p o s s i b l e f r o m Z = Z

m n

o u t t o Z = Z

m a x

w h e r e t h e

i n s t a b i l i t i e s g i v i n g r i s e t o t h e M H D t u r b u l e n c e h a v e d i s -

r u p t e d t h e j e t o w . O n t h e o t h e r h a n d , i n t h e a b s e n c e o f

a s t r o n g p r e - a c c e l e r a t i o n m e c h a n i s m e l e c t r o n s c a n n o t b e

a c c e l e r a t e d a g a i n s t t h e s t r o n g s y n c h r o t r o n ( a n d i n v e r s e -

C o m p t o n ) d r a g . T h e e c i e n c y o f c o n v e r t i n g k i n e t i c e n -

e r g y i n t o p r o t o n s ( a n d , a s s h a l l b e s h o w n , i n t o r a d i a t i o n )

i s g i v e n b y

=

L

Q

M

3

Z

m a x

R

[

a d

P

1

2

( 1 3 )

w h e r e

P

= p = 2 u

B

1 d e n o t e s t h e r a t i o o f p a r t i c l e t o

m a g n e t i c p r e s s u r e a n d

a d

i s t h e a d i a b a t i c i n d e x o f t h e

p l a s m a ( P e l l e t i e r & Z a n i n e t t i 1 9 8 4 ) . F r o m E q . ( 1 3 ) i t f o l -

l o w s t h a t t h e j e t e n e r g y i s d i s s i p a t e d w i t h i n a r a n g e

1 0

2

R

G

< Z

m a x


5/11


2 . 2 . C a s c a d e s p e c t r u m

P h o t o - p i o n p r o d u c t i o n a t t h e t h r e s h o l d e n e r g y h a s t w o

c h a n n e l s o f e q u a l i m p o r t a n c e

p + !

+ p ! 2 + p

+

+ n ! e

+

+

e

+

+

+ n

( 2 5 )

N e u t r o n s c a n b e c o n s i d e r e d a s s t a b l e o v e r t h e s c a l e s o f

i n t e r e s t . T h e d e c a y l e n g t h i s g i v e n b y

Z

n

=

n

c t

n

= ( 1

p

)

p

c 1 0

3

s

= 2 4 1 0

6

m

1

8

x

1

4

R

G

Z

m a x

( 2 6 )

N e u t r o n s w h i c h h i t t h e d i s k i n i t i a t e h a d r o n i c c a s c a d e s

b e a r i n g m a n y s i m i l a r i t i e s w i t h e x t e n d e d a i r s h o w e r s i n i t i -

a t e d b y c o s m i c r a y s i n t h e E a r t h ' s a t m o s p h e r e . D u e t o t h e

l a r g e p e n e t r a t i o n d e p t h o f r e l a t i v i s t i c p a r t i c l e s t h e i r m a i n

e e c t i s t o h e a t t h e d i s k a n d t o p r o d u c e e x t r a n e u t r i n o s

w h i c h c o u l d b e o b s e r v a b l e w i t h u n d e r w a t e r o r u n d e r i c e

d e t e c t o r s ( N e l l e n e t a l . 1 9 9 3 ) .

H i g h e n e r g y p h o t o n s r e s u l t f r o m n e u t r a l p i o n d e c a y ,

b u t a l s o f r o m s y n c h r o t r o n r a d i a t i o n a n d f r o m i n v e r s e -

C o m p t o n s c a t t e r i n g o f c h a r g e d p i o n d e c a y p o s i t r o n s . I n

t h e s t r o n g s o f t p h o t o n e l d f r o m t h e a c c r e t i o n d i s k - r a y s

a r e s u b j e c t t o p h o t o n - p h o t o n p a i r p r o d u c t i o n

+ ! e

+

+ e ( 2 7 )

T h e c r o s s s e c t i o n i s m a x i m i z e d f o r

x

=

E

m

e

c

2

=

2

x

t

( 2 8 )

w h e r e i t h a s t h e v a l u e

'

1

3

T

( 2 9 )

F o r - r a y s p r o d u c e d i n t h e r a n g e

1 < x

< x

m a x

=

1

2

p

m

p

m

e

p m a x

= 2 1 0

8

x

1

4

( 3 0 )

t h e r e l e v a n t t a r g e t p h o t o n s a r e i n t h e r a n g e

1 0

8

< x

t


6/11


o n e c a n r e a d i l y c a l c u l a t e t h e e l e c t r o n s c a t t e r i n g o p t i c a l

d e p t h o f t h e j e t . F o r a r a y w i t h p a t h l e n g t h R t h e o p t i c a l

d e p t h i s g i v e n b y

e

= n

e

T

R 0 3

0 1

3

0 3

r

1

2

( 3 6 )

T h e C o m p t o n Y - p a r a m e t e r i s g i v e n b y

Y =

4 k T

m

e

c

2

M a x [

e

2

e

0 0 6 T

9

2

0 1

6

0 3

r

2

2

( 3 7 )

C l o s e t o t h e a c c r e t i o n d i s k t h e t h e j e t h a s a r a d i u s r

2


7/11


r o u g h l y a p p r o x i m a t i n g a t h e r m a l b u m p p e a k i n g a t x

T h e t a r g e t p h o t o n d i s t r i b u t i o n i n t h e j e t f r a m e f o l l o w s

f r o m E q s . ( 3 9 ) , ( 4 0 ) a n d ( 4 6 )

n

( x ) = n

o

[ x ( 1 + ) x

o

] ( 4 7 )

3.0 8.0

3.0

8.0

y

x

forwardhemisphere

backwardhemisphere

k=100

k=2

j=0.9

j=0.58

j=0.58

j=0.3

j=0.0

F i g . 1 . A n t e n n a d i a g r a m f o r p h o t o - p i o n j e t e m i s s i o n . T h e

r a d i u s v e c t o r r ( ) =

p

x

2

+ y

2

g i v e s t h e v a l u e o f t h e n o r -

m a l i z e d a n g u l a r d i s t r i b u t i o n o f t h e p i o n p o w e r Q

(

) =

Q

(

) =

R

+ 1

1

Q

(

) d

p a r a m e t r i z e d b y t h e j e t v e l o c i t y

a n d t h e m a x i m u m p r o t o n e n e r g y k =

p m a x

=

p h

. F o r k = 2

p i o n p h o t o p r o d u c t i o n i s o n l y p o s s i b l e i n t o t h e b a c k w a r d h e m i -

s p h e r e

0 ( s o l i d l i n e s ) . C l o s e t o t h e c r i t i c a l j e t v e l o c i t y

c

t h e b a c k w a r d a n i s o t r o p y b e c o m e s e v e n s t r o n g e r a n d d e v e l -

o p e s a n a r r o w l o b e t o w a r d s t h e s o u r c e o f t h e t a r g e t p h o t o n s

a t

= 1 . I n c o n t r a s t , f o r k = 1 0 0 p i o n p r o d u c t i o n i s p o s -

s i b l e f o r a l m o s t a l l a n g l e s i n t h e c o m o v i n g f r a m e . I n t h i s c a s e

a D o p p l e r b e a m i n g p a t t e r n i n t h e f o r w a r d d i r e c t i o n a r i s e s a s

! 1 ( d a s h e d l i n e s )

F r o m h e r e i t i s s i m p l e t o p r o c e e d , b e c a u s e t h e i n t e g r a -

t i o n s a r e e a c h o v e r a d e l t a - d i s t r i b u t i o n . E q . ( 4 2 ) y i e l d s

q

(

) '

c a

2 ( 1 + )

n

p

n

p

(

)

2

( 1

)

H

2 8 0 a

( 1 + )

x

( 1

)

H

a

p m a x

( 4 8 )

s o t h a t t h e p i o n p o w e r a t

i s g i v e n b y

Q

(

) = m

c

2

V

p

Z

1

1

q

d

=

m

c

3

a

2 ( 1 + )

n

p

n

V

p

p

( 1

) l n

p m a x

x

( 1

)

2 8 0 ( 1 + )

( 4 9 )

w h e r e V

p

d e n o t e s t h e v o l u m e o f t h e p r o t o n a c c e l e r a t i o n

r e g i o n . T h e r e c e i v e d p o w e r i n t h e a c c r e t i o n d i s k f r a m e

r e s u l t s f r o m t h e t r a n s f o r m a t i o n p r o p e r t y

Q

(

) =

d E

d t d

=

d E

d E

d t

d t

d

d

Q

(

)

= D

4

(

) Q

(

)

( 5 0 )

w i t h t h e D o p p l e r f a c t o r

D (

) =

1

( 1

)

( 5 1 )

T h e a n g l e o f t h e e m i t t e d p i o n s a s a f u n c t i o n o f i t s v a l u e

i n t h e a c c r e t i o n d i s k f r a m e i s g i v e n b y

=

1

( 5 2 )

h e n c e o n e o b t a i n s f o r t h e l u m i n o s i t y e m i t t e d i n t o t h e t h e

h o r i z o n b o u n d e d b y a

b

L

[ a b = L

Z

b

a

1

1

D (

)

4

l n

2

4

p m a x

x

1

1

2 8 0 ( 1 + )

3

5

d

( 5 3 )

T h e n o r m a l i z a t i o n L

i s x e d b y t h e c o n d i t i o n

L

= L

[ 1 + 1 ' L L

u v

( 5 4 )

w h e r e d e n o t e s t h e e c i e n c y o f e n e r g y c o n v e r s i o n , c f .

E q . ( 1 3 ) . T h e l o g a r i t h m i c f a c t o r i n E q s . ( 4 9 ) a n d ( 5 3 ) e x -

p r e s s e s t h e t h r e s h o l d c o n d i t i o n E q . ( 4 3 ) . F i g . 1 s h o w s t h e

a n t e n n a d i a g r a m f o r t h e j e t e m i s s i o n w h e r e t h e l e n g t h

o f t h e r a d i u s v e c t o r g i v e s t h e p i o n p o w e r a t a n a n g l e

= a r c c o s [

] . A t a n g l e s

1

2

k

( 1 + ) ( 1

2

k

)

1

( 5 5 )

t h e t h r e s h o l d c o n d i t i o n i s n o t s a t i s e d , h e n c e n o p i o n s

a r e p r o d u c e d i n t h e f o r w a r d h e m i s p h e r e

> 0 f o r k =

p m a x

=

p t h

2 a n d a n y 0 1 . A t a c r i t i c a l j e t

v e l o c i t y

c

d e t e r m i n e d b y

k

c

( 1 +

c

)

1

2

k

c

c

= 1 ( 5 6 )

p i o n p r o d u c t i o n c e a s e s e n t i r e l y , s i n c e n o p h o t o n s a r e a v a i l -

a b l e a b o v e t h r e s h o l d . F o r e x p a m p l e , a t k = 2 t h e c r i t i c a l

v e l o c i t y i s

c

= 0 6 ( c f . F i g . 2 ) . I f , h o w e v e r , p r o t o n a c c e l -

e r a t i o n d o e s n o t s a t u r a t e a t t h e t h r e s h o l d e n e r g y E q . ( 2 0 ) ,

i . e . k 1 , a D o p p l e r b o o s t i n g e m i s s i o n p a t t e r n a r i s e s f o r

! 1 . F o r s l o w v e l o c i t i e s ! 0 t h e m a x i m u m b a c k - t o -

f r o n t r a t i o r e a c h e d i n t h e c a s e o f v e r y h i g h p r o t o n m a x i -

m u m e n e r g i e s h a s a v a l u e o f

b : f = L

[ 1 0 L

[ 0 1 ' 3 1


8/11


w h i c h c a n b e c o n s i d e r e d a s a l o w e r l i m i t ( F i g . 2 ) . A s c a n

b e s e e n f r o m F i g s . 1 a n d 2 p h o t o - p i o n p r o d u c t i o n e x h i b i t s

a n a t u r a l a n i s o t r o p y : p i o n s a r e p r o d u c e d b a c k t o w a r d s t h e

p o i n t s o u r c e o f t a r g e t p h o t o n s w h e n t h e p r o t o n m a x i m u m

e n e r g y i s j u s t t h e t h r e s h o l d e n e r g y . O n l y w h e n p r o t o n s

a r e a c c e l e r a t e d a t s h o c k s f a r a w a y f r o m t h e c e n t r a l U V -

p h o t o n s o u r c e , t h e u s u a l D o p p l e r b o o s t i n g e m i s s i o n p a t -

t e r n i s g e n e r a t e d b y t h e j e t . F o r t h e c a s e o f e l e c t r o n s a n

a n i s o t r o p y s i m i l a r t o t h e k 1 c a s e o f p r o t o n s a r i s e s d u e

t o t h e k i n e m a t i c s o f C o m p t o n s c a t t e r i n g ( G h i s e l l i n i e t a l .

1 9 9 1 ) .

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

jet velocity j

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

backwardratio

k=2

k=3

k=4

k=5

k=10

k=100

k=1000

F i g . 2 . T h e b a c k w a r d r a t i o L

[ 1 0 = L

[ 1 1 ] v s . j e t v e l o c i t y

p a r a m e t r i z e d b y k =

p m a x

=

p h

w h e r e

p h

d e n o t e s t h e

t h r e s h o l d e n e r g y f o r p i o n p r o d u c t i o n i n h e a d - o n c o l l i s i o n s w i t h

p h o t o n s . T h e l u m i n o s i t y p e a k i s s h i f t e d t o t h e h e m i s p h e r e s e e n

b y t h e a c c r e t i o n d i s k a s t h e j e t s p e e d d e c r e a s e s . I n c o n t r a s t ,

f o r r e l a t i v i s t i c s p e e d s a l m o s t t h e e n t i r e s e c o n d a r y l u m i n o s i t y i s

e m i t t e d i n t o t h e f o r w a r d D o p p l e r c o n e . A t t h e c r i t i c a l s p e e d

c

h o w e v e r , t h e t a r g e t p h o t o n s a s s e e n f r o m t h e c o m o v i n g u i d

f r a m e a r e r e d s h i f t e d o u t o f t h e t h r e s h o l d c o n d i t i o n E q . ( 2 0 ) a n d

t h e e n t i r e p o w e r g o e s b a c k w a r d s i n t h e r e l a t i v i s t i c c a s e a l s o .

4 . T h e h i g h e n e r g y i r r a d i a t i o n s o u r c e

T h e p r e s e n c e o f r e l a t i v i s t i c b a r y o n s i n e v i t a b l y c a u s e s h i g h

e n e r g y e m i s s i o n . A G N w i t h r e l a t i v i s t i c j e t s p o i n t i n g a t

s m a l l a n g l e s t o w a r d t h e t e r r e s t r i a l o b s e r v e r h a v e i n d e e d

b e e n s h o w n t o p r o d u c e a l a r g e u x o f - r a y e m i s s i o n .

T h e p r o p o s i t i o n o f t h i s p a p e r i s t h a t a l l A G N h a v e j e t s

a n d t h a t t h e r a d i o - q u i e t s h a v e j e t s t h a t b e c o m e t u r b u l e n t

a n d d i s s i p a t i v e i n t h e c e n t r a l p a r s e c . A s a c o n s e q u e n c e

t h e y i r r a d i a t e t h e a c c r e t i o n d i s k f e e d i n g t h e c e n t r a l b l a c k

h o l e w i t h b a c k - t o - f r o n t l u m i n o s i t y r a t i o s i n t h e r a n g e 7 5 %

t o 1 0 0 % f o r p u r e p h o t o - p i o n p r o d u c t i o n ( F i g . 2 ) . A d i r e c t

t e s t o f t h e m o d e l i s t o o b s e r v e n e u t r i n o e m i s s i o n i n t h e

T e V - P e V r a n g e ( S t e c k e r e t a l . 1 9 9 1 ) . T h i s i s p o s s i b l e w i t h

p l a n n e d u n d e r w a t e r o r u n d e r i c e d e t e c t o r s ( S t e n g e r e t a l .

1 9 9 2 ) . I n c o n t r a s t , h i g h e n e r g y e l e c t r o m a g n e t i c r a d i a t i o n

i s d i c u l t t o o b s e r v e , b e c a u s e t h e l a r g e b a c k - t o - f r o n t r a -

t i o s l e a v e v e r y l i t t l e - r a y u x i n t h e l i n e - o f - s i g h t .

O b s e r v a t i o n a l r e s u l t s f r o m - r a y s a t e l l i t e s a l r e a d y i m -

p o s e s t r o n g l i m i t s o n t h e p r e s e n c e o f a s p e c t r a l c o m p o -

n e n t w i t h p h o t o n e n e r g i e s u p t o 1 0 1 0 0 M e V i n A G N

( M a i s a c k e t a l . 1 9 9 3 , L i n e t a l . 1 9 9 3 ) . A n o t h e r c o n s t r a i n t

c o m e s f r o m t h e d i u s e c o s m i c p h o t o n u x a t h i g h e n e r g i e s

w h i c h c o u l d b e d u e t o t h e u n r e s o l v e d e m i s s i o n f r o m A G N .

I n t h i s S e c t i o n I s h a l l c o m p a r e t h e m o d e l p r e d i c t i o n s w i t h

c u r r e n t e x p e r i m e n t a l d a t a .

4 . 1 . C o n s i s t e n c y w i t h

o x

a n d - r a y u x l i m i t s

T h e e l e c t r o m a g n e t i c l u m i n o s i t y o f t h e d i s s i p a t i v e j e t i s

g i v e n b y

L

e m

= L

+

1

4

L

=

5

8

L

( 5 7 )

w h e r e u s e h a s b e e n m a d e o f L

! e

=

1

4

L

( d e c a y i n t o

f o u r l i g h t p a r t i c l e s , s e e E q . ( 2 5 ) ) a n d w h e r e L

d e n o t e s t h e

t o t a l p i o n l u m i n o s i t y o f t h e j e t . T h e f r a c t i o n o f l u m i n o s i t y

d u e t o p h o t o p r o d u c t i o n o f p a i r s i s a b o u t

L

e

'

t

p

t

p e

l n

p t h

p t h e

' 0 0 2 L

( 5 8 )

u s i n g E q s . ( 1 7 ) - ( 2 0 ) a n d i s t h u s u n i m p o r t a n t e n e r g e t i -

c a l l y . T h e s a m e i s t r u e f o r t h e c o n t r i b u t i o n o f p i o n s f r o m

p r o t o n - p r o t o n h a d r o n i c i n t e r a c t i o n s d e r i v e d f r o m E q s .

( 1 5 ) , ( 1 6 ) , ( 1 9 ) a n d ( 2 0 )

L

p p !

'

t

p

t

p p

l n

p t h

p t h p p

' 0 0 9 5 L

( 5 9 )

H e n c e i t f o l l o w s t h a t t h e p h o t o - p i o n l u m i n o s i t y L

e q u a l s

t h e r a d i a t i v e p o w e r o f t h e j e t , i . e .

L

' L = Q ( 6 0 )

S o m e f r a c t i o n o f t h e k i n e t i c p o w e r o f t h e j e t i s n o t t r a n s -

f e r r e d t o r a d i a t i o n , b u t i s s t i l l i n t h e k i n e t i c e n e r g y r e s e r -

v o i r o f t h e t u r b u l e n t l y e n t r a i n e d g a s t h a t e n s u r e s m o m e n -

t u m c o n s e r v a t i o n . T h e m a x i m u m e c i e n c y i s t h e r e f o r e

g i v e n b y


9/11


T h e n o n t h e r m a l c o n t i n u u m f r o m t h e d i s s i p a t i v e j e t i s

s p r e a d o v e r a v e r y l a r g e e n e r g y i n t e r v a l a n d i s t h e r e f o r e

a p p a r e n t l y e n e r g e t i c a l l y u n i m p o r t a n t i n a p a r t i c u l a r n a r -

r o w p h o t o n e n e r g y b a n d . T a k i n g i n t o a c c o u n t t h e b a c k - t o -

f r o n t r a t i o o f a t l e a s t 3 : 1 d e r i v e d i n S e c t . 3 o n e o b t a i n s

f o r t h e f o r w a r d e n e r g y u x

d L

e m

d l n [ x

( f o r w a r d )


10/11

1 0 K a r l M a n n h e i m : T h e U V d r a g o n h a d r o n i c h o t j e t s a s t h e o r i g i n o f X - r a y i r r a d i a t i o n i n A G N

i n d e x 1 = 2 t h e l u m i n o s i t y p e r l o g a r i t h m i c e n e r g y i s g i v e n

b y

d L

[ x

( e

)

d l n [ x

= 0 5 L

'

4

5

0 0 2 L

e m

'

8

1 5

d L

e m

( f o r w a r d 1 0 0 k e V )

d l n [ x

( 6 6 )

o b t a i n e d b y u s i n g E q s . ( 5 7 ) , ( 5 8 ) a n d ( 6 3 ) . T h i s a g r e e s w i t h

t h e o b s e r v e d v a l u e . T o t e s t t h e p r e d i c t i o n - r a y m e a s u r e -

m e n t s o f i n d i v i d u a l S e y f e r t g a l a x i e s i n t h e 1 - 1 0 M e V r a n g e

m u s t b e m o r e s e n s i t i v e b y a f a c t o r o f 2 - 5 t h a n p r e v i o u s l y

a c h i e v e d .

5 . C o n c l u s i o n s

A w o r k i n g h y p o t h e s i s i s p r e s e n t e d i n t h i s p a p e r : A G N r e p -

r e s e n t a c c r e t i n g s u p e r m a s s i v e o b j e c t s i n w h i c h t h e a n g u l a r

m o m e n t u m o f t h e a c c r e t e d g a s i s e x p e l l e d t h r o u g h p o w e r -

f u l M H D j e t s . L o w M a c h n u m b e r j e t s c a n n o t e m e r g e o u t

o f t h e c e n t r a l p a r s e c o f t h e i r h o s t g a l a x y . T h e y r a p i d l y

d e v e l o p M H D t u r b u l e n c e , e n t r a i n m a s s a n d s l o w d o w n .

T h e t u r b u l e n c e c a u s e s p a r t i c l e a c c e l e r a t i o n w h i c h l e a d s

t o a h i g h r a d i a t i v e e c i e n c y f o r c o n v e r t i n g k i n e t i c e n e r g y

i n t o r a d i a t i o n . I h a v e a r g u e d t h a t t h e d o m i n a n t r a d i a t i o n

m e c h a n i s m o f t h e n u c l e a r d i s s i p a t i v e j e t c o u l d b e p h o t o -

p i o n p r o d u c t i o n b y p r o t o n s a c c e l e r a t e d a t a d i s t a n c e o f

1 0

2

1 0

3

R

G

a b o v e t h e d i s k . P h o t o - p i o n p r o d u c t i o n i n

t h e p h o t o n e l d o f t h e a c c r e t i o n d i s k d i s p l a y s a p r o m i -

n e n t a n i s o t r o p y . R a d i a t i o n i s p r o d u c e d m o s t l y i n t h e d i -

r e c t i o n o f t h e t a r g e t p h o t o n s , i . e . b a c k t o w a r d s t h e i n n e r

a c c r e t i o n d i s k . A s a c o n s e q u e n c e , t h e c o l d d i s k a n d t h e

h o t b a s e o f t h e j e t a c t a s a r e p r o c e s s i n g m e d i u m f o r t h e

h i g h e n e r g y i r r a d i a t i o n p r o d u c i n g w e l l - k n o w n f e a t u r e s i n

t h e X - r a y b a n d s u c h a s C o m p t o n - r e e c t i o n a n d C o m p -

t o n i z a t i o n o f U V - p h o t o n s i n t o t h e s o f t X - r a y b a n d . T h e

s h a p e o f A G N X - r a y s p e c t r a c a n i n p r i n c i p a l b e e x p l a i n e d

b y t h e m o d e l . P h o t o - p a i r s a r e e n e r g e t i c a l l y u n i m p o r t a n t

a s a r a d i a t i v e e n e r g y l o s s o f t h e j e t . H o w e v e r , t h e y a r e

r e s p o n s i b l e f o r a w e a k s o f t - r a y b u m p d o m i n a t i n g t h e

A G N s p e c t r u m i n t h e 1 - 1 0 M e V r a n g e . T h e u x o f t h e

s o f t - r a y b u m p i s b e l o w t h e c u r r e n t C G R O u x l i m i t s

f o r S e y f e r t g a l a x i e s . I t i s c o n s i s t e n t w i t h t h e d i u s e -

r a y b a c k g r o u n d e m i s s i o n , i f t h e p h o t o - p i o n i n d u c e d X - r a y

e m i s s i o n r e e c t e d f r o m A G N a c c r e t i o n d i s k s i s r e s p o n s i -

b l e f o r t h e d i u s e X - r a y b a c k g r o u n d e m i s s i o n a t a r o u n d

3 0 k e V .

C r u c i a l e x p e r i m e n t a l t e s t s a r e t h e d e t e c t i o n o f - r a y

l i n e s f r o m t h e i r r a d i a t e d c o l d m a t t e r a n d t h e d e t e c t i o n

o f h i g h e n e r g y n e u t r i n o s w h i c h i s f e a s i b l e b y e x p e r i m e n t s

c u r r e n t l y u n d e r c o n s t r u c t i o n .

R e f e r e n c e s

A n t o n u c c i , R . R . J . , 1 9 9 3 , , A n n . R e v . A & A 3 1 , 4 7 3

B i c k n e l l , G . V . , M e l r o s e , D . B . , 1 9 8 2 , A p J 2 6 2 , 5 1 1

B l a n d f o r d , R . D . , P a y n e , D . G . , 1 9 8 1 , M N R A S 1 9 4 , 1 0 3 3

B l a n d f o r d , R . D . , P a y n e , D . G . , 1 9 8 2 , M N R A S 1 9 9 , 8 8 3

B u r b i d g e , G . R . , 1 9 5 6 , A p J 1 2 4 , 4 1 6

C a m e n z i n d , M . , C o u r v o i s i e r , T . J . - L . , 1 9 8 3 , A p J 2 6 6 , L 8 3

C z e r n y , B . , E l v i s , M . , 1 9 8 7 , A p J 3 2 1 , 3 0 5

C e l o t t i , A . , F a b i a n , A . C . , 1 9 9 3 , M N R A S 2 6 4 , 2 2 8

C l a v e l , J . , e t a l . , 1 9 9 2 , A p J 3 9 3 , 1 1 3

F e r r e i r a , J . , P e l l e t i e r , G . , 1 9 9 3 , A & A 2 7 6 , 6 2 5

F i c h t e l , C . E . , e t a l . , 1 9 9 4 , A p J S , i n p r e s s

G h i s e l l i n i , G . , G e o r g e , I . M . , F a b i a n , A . C . , D o n e , C . , 1 9 9 1 ,

M N R A S 2 4 8 1 4

H a r r i s , D . E . , C a r i l l i , C . L . , P e r l e y , R . A . , 1 9 9 4 , N a t 3 6 7

7 1 3

H a s i n g e r , G . , 1 9 9 2 , T h e X - r a y B a c k g r o u n d , E d s . X . B a r -

c o n s a n d A . C . F a b i a n , C a m b r i d g e U n i v e r s i t y P r e s s , p .

2 2 9

H o l t , S . S . , 1 9 9 2 , T h e X - r a y B a c k g r o u n d , E d s . X . B a r c o n s

a n d A . C . F a b i a n , C a m b r i d g e U n i v e r s i t y P r e s s , p . 2 9

K o n i g l , A . , 1 9 8 9 , A p J 3 4 2 , 2 0 8

L a c o m b e , C . , 1 9 7 7 , A & A 5 4 1

L i g h t m a n , A . P . , W h i t e , T . R . , 1 9 8 8 , A p J 3 3 5 5 7

L i n , Y . C . , e t a l . , 1 9 9 3 , A p J 4 1 6 , L 5 3

L o v e l a c e , R . V . E . , W a n g , J . C . L . , S u l k a n e n , M . E . , 1 9 8 7 ,

A p J 3 1 5 , 5 0 4

M a i s a c k , M . , e t a l . , 1 9 9 3 , 2 n d C o m p t o n S y m p o s i u m , C o l -

l e g e P a r k , C O M P T E L p r e p r i n t N o . 1 1 , p . 5 3

M a n n h e i m , K . , K r u l l s , B i e r m a n n , P . L . , 1 9 9 1 , A & A 2 5 1

7 2 3

M a n n h e i m , K . , B i e r m a n n , P . L . , 1 9 9 2 , A & A 2 5 3 , L 2 1

M a n n h e i m , K . , 1 9 9 3 a , A & A 2 6 9 6 7

M a n n h e i m , K . , 1 9 9 3 b , P h y s . R e v . D 4 8 , 2 4 0 8

M a n n h e i m , K . , 1 9 9 4 a , I A U S y m p . 1 5 9 o n M u l t i - w a v e l e n g t h

C o n t i n u u m E m i s s i o n o f A G N , G e n e v a 1 9 9 3 , E d s . T . J . -

L . C o u r v o i s i e r a n d A . B l e c h a , K l u w e r , D o r d r e c h t , p .

2 8 5

M a n n h e i m , K . , S c h l i c k e i s e r , R . , 1 9 9 4 b , A & A 2 8 6 , 9 8 3

M e i s e n h e i m e r , K . , R o s e r , H . - J . , H i l t n e r , P . R . , Y a t e s ,

M . G . , C h i n i , R . , P e r l e y , R . A . , 1 9 8 9 , A & A 2 1 9 6 3

M e l i a , F . , K o n i g l , A . , 1 9 8 9 , A p J 3 4 0 , 1 6 2

N e l l e n , L . , M a n n h e i m , K . , B i e r m a n n , P . L . , 1 9 9 3 , P h y s .

R e v . D 4 7 , 5 2 7 0

P e l l e t i e r , G . , Z a n i n e t t i , L . , 1 9 8 4 , A & A 1 3 6 , 3 1 3

P e l l e t i e r , G . , P u d r i t z , R . E . , 1 9 9 2 , A p J 3 9 4 , 1 1 7

P e r o l a , G . C . , 1 9 6 9 , A & A 3 , 4 8 1

P o u n d s , K . A . , N a n d r a , K . , S t e w a r t , G . C . , G e o r g e , I . M . ,

F a b i a n , A . C . , 1 9 9 0 , N a t 3 4 4 , 1 3 2

P u d r i t z , R . E . , 1 9 8 5 , A p J 2 9 3 , 2 1 6

P u d r i t z , R . E . , 1 9 9 2 , P r o c . o f t h e w o r k s h o p o n P h y s i c s o f

A G N , H e i d e l b e r g 1 9 9 1 , E d s . W . D u s c h l a n d S . W a g n e r ,

S p r i n g e r , B e r l i n , H e i d e l b e r g , N e w Y o r k , p . 4 5 9

P u n c h , M . , e t a l . , 1 9 9 2 , N a t 3 5 8 , 4 7 7

R a w l i n g s , S . , S a u n d e r s , R . , 1 9 9 1 , N a t 3 4 9 , 1 3 8

R y b i c k i , G . B . , L i g h t m a n , A . P . , 1 9 7 9 , R a d i a t i v e P r o c e s s e s

i n A s t r o p h y s i c s , W i l e y , N e w Y o r k

S i e m i g i n o w s k a , A . , E l v i s , M . , 1 9 9 4 , A p J S 9 2 , 6 0 3


11/11

K a r l M a n n h e i m : T h e U V d r a g o n h a d r o n i c h o t j e t s a s t h e o r i g i n o f X - r a y i r r a d i a t i o n i n A G N 1 1

S m i t h , S . J . , 1 9 9 3 , A p J 4 1 1 , 5 7 0

S t e c k e r , F . W . , D o n e , C . , S a l a m o n , M . H . , S o m m e r s , P . ,

1 9 9 1 , P h y s . R e V . L e t t e r s 6 6 , 2 6 9 7

S t e n g e r , V . J . , L e a r n e d , J . G . , P a k v a s a , S . , T a t a , X . ( e d s . ) ,

1 9 9 2 , P r o c . o f t h e W o r k s h o p o n H i g h E n e r g y N e u t r i n o

A s t r o p h y s i c s , h e l d i n H o n o l u l u , H a w a i i , 2 3 - 2 6 M a r c h

1 9 9 2 , W o r l d S c i e n t i c , S i n g a p o r e

S v e n s s o n , R . , 1 9 8 7 , M N R A S 2 2 7 , 4 0 3

W a l t e r , R . , F i n k , H . H . , 1 9 9 3 , A & A 2 7 4 , 1 0 5

W a l t e r , R . , O r r , A . , C o u r v o i s i e r , T . J . - L . , F i n k , H . H . ,

M a k i n o , F . , O t a n i , C . , W a m s t e k e r , W . , 1 9 9 4 , A & A

2 8 5 , 1 1 9

Z d z i a r s k i , A . A . ,

Z y c k i , P . T . , S v e n s s o n , R . , B o l d t , E . , 1 9 9 3 ,

A p J 4 0 5 , 1 2 5

T h i s a r t i c l e w a s p r o c e s s e d b y t h e a u t h o r u s i n g S p r i n g e r - V e r l a g

T

E

X A & A m a c r o p a c k a g e 1 9 9 2 .

Documents

Karl Mannheim- The UV drag on hadronic hot jets as the origin of X-ray irradiation in AGN