[論文レビュー] A large high-energy gamma-ray flare from the blazar 3C 273

W. Collmar, O. Reimer+9 more|arXiv (Cornell University)|Jan 12, 2000

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、コンプトンガンマ線宇宙望遠鏡ミッション中に記録された最高の放射率を示した、1997年にEGRETが搭載されたコンプトンガンマ線宇宙望遠鏡で観測された、ブラー.cls 3C 273からの高エネルギーガンマ線フレアを報告している。このフレアは100 MeV以上のエネルギーに限定され、COMPTELのMeVバンドでは同時期の変動を示さないが、再放射された降着円盤放射の外部コンプトン散乱によって最もよく説明され、低エネルギー放射とは異なる放射メカニズムを示しており、フレア中にスペクトルが硬くなる二成分スペクトルモデルを支持する。

ABSTRACT

The Compton Gamma-Ray Observatory (CGRO) experiments EGRET and COMPTEL observed the Virgo sky region continuously for 7 weeks between December 10, 1996 and January 28, 1997. The prominent quasar 3C~273 was found to be the brightest source in gamma-rays and was significantly detected by EGRET and COMPTEL. The EGRET experiment observed a time-variable flux at energies above 100 MeV, which reached in a 2-week flaring period (December 30, 1996 to January 14, 1997) its highest flux level observed during the CGRO-era. COMPTEL, however, does not observe obvious time variability at energies below ~30 MeV contemporaneous to EGRET. In particular, no flare was observed, indicating that this outburst is solely a high-energy (>100 MeV) phenomenon. The energy spectrum between 3 MeV and 10 GeV is well represented by a simple power-law model. Below 3 MeV a spectral turnover is indicated. Performing spectral analysis for different time periods, we found evidence for a spectral hardening during the flaring period, which is consistent with the flare occurring mainly at the higher energies and with its absence at COMPTEL energies of a few MeV. This may be interpreted as an indication that the emission in the EGRET energy range is dominated by a different radiation mechanism than the MeV emission. We argue that the most likely mechanism for the high-energy flare is inverse-Compton scattering of reprocessed accretion-disk radiation.

研究の動機と目的

• CGROによる7週間の連続観測中に検出された強力な高エネルギーガンマ線フレアの性質を調査すること。
• フレアがEGRETの高エネルギー（ガンマ線）現象か、COMPTELの低エネルギー（MeV）現象かを特定し、そのスペクトル的・時間的特性を理解すること。
• 観測されたフレアの背後にある放射メカニズムとしての、外部コンプトン散乱（ECC）と同期放射反射（RSy）の両者を区別すること。
• 複数のエネルギー帯（MeVからGeV）におけるスペクトルの硬化と時間変動の分析を通じて、放射メカニズムを制約すること。
• McHardyら（1999年）が報告した同時期の赤外線およびX線観測と照らし合わせ、マルチワーブレングス的文脈を提供すること。

提案手法

• 1996年12月10日から1997年1月28日まで、コンプトンガンマ線宇宙望遠鏡搭載のEGRETおよびCOMPTELがバーディア座の天の川領域を連続監視した。
• 3 MeVから10 GeVのエネルギー範囲でEGRETおよびCOMPTELデータのスペクトル解析を行い、観測スペクトルに適合させるために累乗法則およびカットオフモデルを用いた。
• 2週間のフレア期間（1996年12月30日〜1997年1月14日）にわたる時間分解スペクトル解析により、フレア期における放射率およびスペクトルの硬化を検出した。
• 理論的モデルと観測結果の比較：再放射された降着円盤光子の外部コンプトン散乱（ECC）とジェット同期放射の反射（RSy）の両方を検討した。
• ECC（式6）およびRSy（式7）モデルにおけるピークエネルギーの解析的表現を用い、観測結果と照合する予測を実施した。
• McHardyら（1999年）が報告した同時期のミリ波、赤外線、X線フレアと照らし合わせ、マルチワーブレングスの一貫性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3C 273からの観測された高エネルギーガンマ線フレアは、COMPTELが観測したMeV帯のフレアと同時期であるか？
• RQ2 フレア期に観測されたスペクトルの硬化は、支配的放射メカニズムの変化を示唆するか？
• RQ3 フレアは再放射された降着円盤放射の外部コンプトン散乱によって説明可能か、それとも同期放射反射がより妥当か？
• RQ4 3 MeV未満のスペクトルのカットオフの物理的起源は何か？また、高エネルギーのフレアとはどのように関係しているか？
• RQ5 McHardyら（1999年）が報告した同時期の赤外線およびX線フレアは、時間的整合性と放射メカニズムの観点からガンマ線フレアとどのように関係しているか？

主な発見

• EGRETは3C 273からの2週間のガンマ線フレアを検出。ピーク放射率はCGROミッション中で記録された最高水準に達し、平均放射率の約2.5倍に達した。
• COMPTELは30 MeV未満のエネルギー帯で同時にフレアを検出しなかったため、フレアは100 MeV以上に限定されていることが示された。
• 3 MeVから10 GeVのエネルギー範囲におけるスペクトルは、単純な累乗法則でよく記述され、3 MeV未満にスペクトルのカットオフが存在する。
• フレア期にスペクトルの硬化が観測され、光子指数が約2.5から約1.7に低下した。これは高エネルギー帯での放射の増強を示している。
• MeV帯フレアの不在とスペクトルの硬化は、高エネルギーフレアの背後にある放射メカニズムとして外部コンプトン散乱（ECC）を、同期放射反射（RSy）よりも強く支持する。
• フレアのタイミングは、同時に観測された赤外線およびX線フレアと一致しており、高エネルギーガンマ線が再放射されたディスク光子のコンプトン散乱によって生成される二成分モデルを支持する。