[論文レビュー] Blazars distance indications from Fermi and TeV data

E. Prandini, G. Bonnoli+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 21, 2011

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、未知の赤方偏移を有するブレーザーの赤方偏移（したがって距離）の上限を推定するための新規手法を提示する。この手法は、フェルミ/LATが得たGeVエネルギー領域のスペクトル傾きと、エネルギー依存性を持つEBL吸収補正済みTeVスペクトルを比較することに依拠している。この手法は、固有のTeVスペクトルがGeVスペクトルよりも急ではありえないという事実を利用しており、EBL吸収を受けるVHEデータにこの制約を適用することで赤方偏移の上限が得られる。PKS 1424+240にこの手法を適用したところ、赤方偏移の推定値は $ z = 0.24 \pm 0.05 $ となり、独立した測定結果と整合的である。

ABSTRACT

A new method to constrain the distance of blazars with unknown redshift using combined observations in the GeV and TeV regimes will be presented. The underlying assumption is that the Very High Energy (VHE) spectrum corrected for the absorption of TeV photons by the Extragalactic Background Light (EBL) via photon-photon interaction should still be softer than the extrapolation of the gamma-ray spectrum observed by Fermi/LAT. Starting from the observed spectral data at VHE, the EBL-corrected spectra are derived as a function of the redshift z and fitted with power laws. Comparing the redshift dependent VHE slopes with the power law fits to the LAT data an upper limit to the source redshift can be derived. The method is applied to all TeV blazars detected by LAT with known distance and an empirical law describing the relation between the upper limits and the true redshifts is derived. This law can be used to estimate the distance of unknown redshift blazars: as an example, the distance of PKS 1424+240 is inferred.

研究の動機と目的

• 未知の赤方偏移を有するブレーザーの赤方偏移の上限を、多波長ガンマ線データを用いて推定するための手法を開発すること。
• 外部銀河背景放射（EBL）による吸収がVHEスペクトルを軟化させるため、固有のTeVスペクトルはフェルミ/LATが観測したGeVスペクトルよりも急ではありえないという事実を活用すること。
• EBL吸収の赤方偏移依存性補正を導出し、その補正済みのTeVスペクトル傾きをLATが得た未吸収GeVスペクトル傾きと比較すること。
• 赤方偏移が既知の14個のブレーザーのサンプルを用いて、導出された上限赤方偏移 $ z^* $ と真の赤方偏移 $ z $ の間の経験的線形関係を導出・校正すること。
• 校正済みの手法を用いて、赤方偏移が不確実なPKS 1424+240の赤方偏移を推定すること。

提案手法

• この手法は、ブレーザーの固有TeVスペクトルが、EBL吸収の影響を受けないフェルミ/LATが観測したGeVスペクトルよりも急ではありえないという仮定に基づく。
• 各天体について、標準的なEBLモデルから導出された赤方偏移依存性の光学濃度 $ \tau(E,z) $ を用いて、観測されたVHEスペクトルをEBL吸収補正する。
• EBL補正済みスペクトルをパワー・レイトにフィットし、補正済みTeVスペクトル傾きがLATのGeVスペクトル傾きと一致する赤方偏移 $ z^* $ を反復的に決定する。
• 赤方偏移を $ z = 0.01 $ から順に上昇させながらこの手順を繰り返し、スペクトル傾きが収束するまで続けることで、源の赤方偏移の上限が得られる。
• 既知の14個の源を用いて、経験的線形関係 $ z^* = A + B z_{\text{true}} $ をフィットし、未知の源の赤方偏移推定に利用可能にする。
• この手法は既知の源で検証され、PKS 1424+240に適用された結果、再構築された赤方偏移は $ z_{\text{rec}} = 0.24 \pm 0.05 $ となった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スペクトロスコピックデータ以外の情報に依存せずに、フェルミ/LATとTeVデータのみを用いて、赤方偏移が不明なブレーザーの赤方偏移を制限できるか？
• RQ2 TeVエネルギー領域におけるEBLによるスペクトルの軟化は、GeVエネルギー領域で測定された固有スペクトル傾きとどのように関係するか？
• RQ3 導出された赤方偏移上限 $ z^* $ と真の赤方偏移 $ z $ の間の経験的関係は何か？この関係は、赤方偏移が不明な源の距離推定に利用可能か？
• RQ4 真の赤方偏移が不確実な場合、この手法が高エネルギーのブレーザーの距離に対して信頼できる上限を与える程度はどの程度か？
• RQ5 独立した赤方偏移推定が存在する源、例えばPKS 1424+240において、この手法はどの程度の性能を示すか？

主な発見

• 赤方偏移が既知の14個のブレーザーにおいて、導出された上限 $ z^* $ は真の赤方偏移よりも系統的に高く、この手法が安全な上界を提供していることを確認した。
• 既知のサンプルから導出された経験的線形関係 $ z^* = A + B z_{\text{true}} $ は62%の確率を有し、赤方偏移が不明な源の赤方偏移推定に利用可能である。
• S5 0716+714に対しては、2σ信頼水準で赤方偏移が $ z < 0.39 $ であると制限され、3C 66Aでは $ z < 0.44 $ と制限された。
• PKS 1424+240にこの手法を適用した結果、再構築された赤方偏移は $ z_{\text{rec}} = 0.24 \pm 0.05 $ となり、[9]の独立した推定値 $ 0.5 \pm 0.1 $ と、データおよびモデルの差異を考慮すれば整合的であった。
• この手法が独立した測定結果と整合的であることは、この手法が分光的データが入手できない状況下でも赤方偏移上限を信頼できる形で推定できることを裏付けている。
• 分析結果は、固有TeVスペクトルがGeVスペクトルよりも急ではありえないこと、すなわちこの手法の物理的根拠が妥当であることを確認した。