[論文レビュー] Black Hole Lightning from the Peculiar Gamma-Ray Loud Active Galactic Nucleus IC 310

D. Glawion, J. Sitarek+8 more|arXiv (Cornell University)|Aug 20, 2015

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 9被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、MAGICが観測したフレア中に数分間で放射束が2倍に増加する現象を示す、最初のガンマ線源における事象視界スケール未満の変動の検出を報告する。著者らは、最大スピンを持つブラックホールに固定された磁気圏モデルを提唱し、電荷分離した磁気圏における真空中ギャップが粒子を加速し、逆運動コンプトン放射を生成することで、硬いスペクトルと急速な変動を説明する。

ABSTRACT

The nearby active galaxy IC 310, located in the outskirts of the Perseus cluster of galaxies is a bright and variable multi-wavelength emitter from the radio regime up to very high gamma-ray energies above 100 GeV. Originally, the nucleus of IC 310 has been classified as a radio galaxy. However, studies of the multi-wavelength emission showed several properties similarly to those found from blazars as well as radio galaxies. In late 2012, we have organized the first contemporaneous multi-wavelength campaign including radio, optical, X-ray and gamma-ray instruments. During this campaign an exceptionally bright flare of IC 310 was detected with the MAGIC telescopes in November 2012 reaching an averaged flux level in the night of up to one Crab above 1 TeV with a hard spectrum over two decades in energy. The intra-night light curve showed a series of strong outbursts with flux-doubling time scales as fast as a few minutes. The fast variability constrains the size of the gamma-ray emission regime to be smaller than 20% of the gravitational radius of its central black hole. This challenges the shock acceleration models, commonly used to explain gamma-ray radiation from active galaxies. Here, we will present more details on the MAGIC data and discuss several possible alternative emission models.

研究の動機と目的

• 遷移的電波銀河／ブレーザーであるIC 310における極端なガンマ線変動の起源を調査する。
• 標準的な衝撃-ジェットモデルが挑戦を受ける短時間スケールの変動を説明する。
• ペア吸収を回避しつつ、速い変動と硬いスペクトルを説明できる代替の放射メカニズムを探索する。
• ブラックホールのエネルギー効果領域に固定された磁気圏モデルが、観測された多波長的性質を再現できるかどうかを検証する。
• 因果関係と変動時スケールを用いて、放射領域のサイズと幾何学的形状を制約する。

提案手法

• 2012年末に、電波、可視光、X線、ガンマ線の観測機器を用いた同時多波長キャンペーンを実施した。
• MAGIC望遠鏡のデータを300 GeV以上で分析し、1日夜間の光度曲線を再構築し、放射束の変動を測定した。
• 因果関係の議論を用いて、放射領域のサイズを重力半径（R_G）の20％未満に制限した。
• 対立するモデル（ミニジェット、ジェット-雲相互作用、真空中ギャップフレームワークにおける磁気圏ギャップ）を評価した。
• 低電荷密度磁気圏における磁場に平行な電場による粒子加速を想定した真空中ギャップモデルを適用した。
• 最大ブラックホールスピンと低降着率（ṁ ≈ 10⁻⁴ L_Edd）を仮定した場合、ギャップ高さ h ≈ 0.2 R_G を計算した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 IC 310のガンマ線放射における観測された数分未満の変動は、標準的な衝撃-ジェットモデルで説明可能か？
• RQ2 ペア吸収を回避しつつ、速い変動と硬いスペクトルを生じる物理的メカニズムは何か？
• RQ3 ブラックホールエネルギー効果領域に固定された磁気圏放射モデルは、IC 310の観測された性質を説明するのに妥当か？
• RQ4 数分間の放射束の2倍時間は、放射領域のサイズと位置にどのような制約を課すか？
• RQ5 IC 310の低ジェット出力と降着率は、粒子が不足している磁気圏モデルの妥当性をどのように支持するか？

主な発見

• 2012年11月12日〜13日に、300 GeV以上で平均放射束が (6.1 ± 0.3) × 10⁻¹¹ cm⁻² s⁻¹ の明るいガンマ線フレアが検出され、過去の高状態レベルの4倍に相当した。
• フレアは数分未塔の放射束2倍時間を見せ、放射領域のサイズが重力半径（R_G）の20％未塔に制限された。
• 1日夜間の光度曲線は強いサブ構造を示し、フレア前の段階は標準偏差 (9.5 ± 1.9) 分のガウス関数で良好にフィットした。
• 観測された硬いスペクトル（パワー法則指数 ≈ 1.9）と急速な変動は、低電荷密度で回転するブラックホール磁気圏における真空中ギャップを伴う磁気圏モデルで最もよく説明される。
• 最大ブラックホールスピンと降着率 ṁ ≈ 10⁻⁴ L_Edd を仮定した場合、ギャップ高さは h ≈ 0.2 R_G と計算された。
• 逆運動コンプトン散乱と電磁気的カスケードを含む磁気圏モデルは、ペア吸収を必要とせず、観測された放射束、スペクトル、変動を成功裏に再現した。