[論文レビュー] Constraints on the emission region of 3C 279 during strong flares in 2014 and 2015 through VHE gamma-ray observations with H.E.S.S

H. E. S. S. Collaboration, H. Abdalla+225 more|UvA-DARE (University of Amsterdam)|Jun 12, 2019

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 75被引用数 15

ひとこと要約

本研究では、2014年および2015年の活発なフレア期におけるクェーサー3C 279のVHEガンマ線観測をH.E.S.S.が用い、発光領域の位置を制限した。2015年には8.7σの顕著な検出が得られ、ブロードライン領域によるガンマ線吸収の正確な推定が可能となり、95%信頼区間の下限としてr ≳ 1.7×10¹⁷ cmが得られた。これは発光領域がブロードライン領域の外側にあることを示し、X線および高エネルギー変動の悪いフィットから、単一ゾーンモデルが成立しないことを示唆している。

ABSTRACT

The flat spectrum radio quasar 3C 279 is known to exhibit pronounced variability in the high-energy ($100\,$MeV$100\,$GeV) $γ$-ray domain. While the observation in 2014 provides an upper limit, the observation in 2015 results in a signal with $8.7\,σ$ significance above an energy threshold of $66\,$GeV. No VHE variability has been detected during the 2015 observations. The VHE photon spectrum is soft and described by a power-law index of $4.2\pm 0.3$. The H.E.S.S. data along with a detailed and contemporaneous multiwavelength data set provide constraints on the physical parameters of the emission region. The minimum distance of the emission region from the central black hole is estimated using two plausible geometries of the broad-line region and three potential intrinsic spectra. The emission region is confidently placed at $r\gtrsim 1.7 imes10^{17}\,$cm from the black hole, i.e., beyond the assumed distance of the broad-line region. Time-dependent leptonic and lepto-hadronic one-zone models are used to describe the evolution of the 2015 flare. Neither model can fully reproduce the observations, despite testing various parameter sets. Furthermore, the H.E.S.S. data are used to derive constraints on Lorentz invariance violation given the large redshift of 3C 279.

研究の動機と目的

• VHEガンマ線データを用いて、強力なフレア期における3C 279のVHEガンマ線発光領域の空間的位置を制限すること。
• 同時多波長光度曲線およびスペクトルと照らし合わせ、単一ゾーンのレプトン系およびレプト・ハドロン系モデルの妥当性を検証すること。
• ブロードライン領域の光子場によるガンマ線吸収を用いて、発光領域の中心ブラックホールからの距離を特定すること。
• IceCubeによるモデル予測の高エネルギーニュートリノの検出可能性を評価し、モデル間の区別能力を検討すること。
• 高エネルギーガンマ線データを用いて、ローレンツ不変性破れ（LIV）および量子重力効果に関する貢献をすること。

提案手法

• H.E.S.S.は2014年および2015年のフレア期に3C 279のVHEガンマ線観測を実施し、66 GeV以上で8.7σの顕著な検出が得られた。
• 観測されたVHEスペクトルと同時多発的な高エネルギー（HE）スペクトルを用いて、ブロードライン領域（BLR）光子場によるガンマ線吸収をモデル化した。
• 時間に依存する単一ゾーンのレプトン系モデルを用い、同時多発的なスペクトルエネルギー分布（SED）および時間分解能1時間程度の変動を再現した。
• ハドロン寄与がVHE放射に与える影響を評価するために、時間に依存するレプト・ハドロン系モデルも検証した。
• BLRモデルを仮定したもとで、光子-光子対生成の光学濃度から発光領域のブラックホールからの距離を導出した。
• モデル予測の高エネルギーニュートリノ放射束をIceCubeの感度と比較し、検出可能性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2015年のフレア期における3C 279のVHEガンマ線発光領域の中心ブラックホールからの最小距離は何か？
• RQ2 単一ゾーンのレプトン系モデルは、2015年のフレア期に観測された同時多発的なSEDおよび時間分解能1時間程度の変動を再現できるか？
• RQ3 単一ゾーンのレプト・ハドロン系モデルは、レプトン系モデルよりもデータに適合するか？
• RQ4 モデル予測の高エネルギーニュートリノ放射束はIceCubeで検出可能か？
• RQ5 観測結果は、ローレンツ不変性破れ（LIV）エネルギースケールにどのような制限を課すか？

主な発見

• 2015年のフレアは66 GeV以上で8.7σの有意な検出が得られ、スペクトルおよび吸収解析を信頼できるものとした。
• VHEガンマ線スペクトルとBLR光子場による吸収を組み合わせた解析により、発光領域のブラックホールからの距離に対して95%信頼区間の下限としてr ≳ 1.7×10¹⁷ cmが得られた。
• 単一ゾーンのレプトン系モデルはX線スペクトルを再現できず、パラメータ調整を行っても2日目のガンマ線放射束を過剰に生成した。
• レプト・ハドロン系モデルでも、フレア最大値から2日目への高エネルギー成分の低下を再現できず、パラメータ最適化後も同様であった。
• 予測された高エネルギーニュートリノ放射束はIceCubeの感度に達しないため、モデル間の区別に役立たないことが判明した。
• ローレンツ不変性破れ（LIV）エネルギースケールに対する導出下限は、他のフレア銀河核からのものと同等であり、3C 279は将来のチェレンコフ望遠鏡アレイによる研究の主要な標的である。