[論文レビュー] Constraints on the gamma-ray emitting region in blazars from multi-frequency VLBI measurements

K. V. Sokolovsky, Y. Y. Kovalev+10 more|arXiv (Cornell University)|Jun 15, 2010

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 3被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、20個の明るいフェルミブラザールのパーセクスケール電波コアの物理的性質を制限するために、5–43 GHzの多周波数VLBA観測を用い、単一領域シンクロトロン自己コンプトン（SSC）および外部コンプトン（EC）SEDモデルと比較した。その結果、VLBIから得られるコアサイズと磁場はSEDモデルの仮定と整合的であるが、変動時標高制約に反する状況を避けるためにも、高エネルギー放射を発生させるブロブの下流に、より大きな拡張した放射領域が必要であることが示された。

ABSTRACT

Single-zone synchrotron self-Compton and external Compton models are widely used to explain broad-band Spectral Energy Distributions (SEDs) of blazars from infrared to gamma-rays. These models bear obvious similarities to the homogeneous synchrotron cloud model which is often applied to explain radio emission from individual components of parsec-scale radio jets. The parsec-scale core, typically the brightest and most compact feature of blazar radio jet, could be the source of high-energy emission. We report on ongoing work to test this hypothesis by deriving the physical properties of parsec-scale radio emitting regions of twenty bright Fermi blazars using dedicated 5-43 GHz VLBA observations and comparing these parameters to results of SED modeling.

研究の動機と目的

• パーセクスケールの電波コアがブラザールで高エネルギー（γ線）放射を発生させると仮定する仮説を、VLBIから得られる物理的パラメータとSEDモデルの予測を比較することで検証すること。
• VLBAデータから導かれた電波コアのサイズと磁場強度が、単一領域SEDモデルで仮定されているものと整合的かどうかを評価すること。
• 変動時標高制約を考慮した場合に、観測された電波放射が単一領域モデルで再現可能かどうかを調査すること。
• VLBIとSEDモデリングの間の不一致が、ブラザールジェット内の放射領域の幾何学的構造に与える影響を検討すること。
• 単一のコンパクトブロブモデルが、観測された電波、光学、およびγ線放射を同時に説明できるかどうかを判断すること、あるいは拡張した放射構造が必要かどうかを検討すること。

提案手法

• パーセクスケールの電波コアを解像するために、4.6–43.2 GHzの多周波数VLBA観測を実施し、コアサイズと輝度温度を測定した。
• スペクトルの折り返し点と輝度温度から、43 GHzにおけるコアサイズ（$R_{43\text{GHz}}$）と磁場強度（$B_{\text{VLBA}}$）を導出した。
• 観測パラメータをHovattaら（2009）の変動ドップラー因子を用いて源フレームに変換し、SEDモデルのパラメータと比較した。
• 選択した源（例：PKS B1510−089）の全波長スペクトルエネルギー分布（SED）に単一領域SEDモデル（SSCおよびEC）をフィットさせ、$R_{\text{SED}}$ と $B_{\text{SED}}$ を推定した。
• VLBIから得たパラメータとSEDから得たパラメータの整合性を、サイズ、磁場、および電子スペクトル指数に注目して評価した。
• モデルが観測されたγ線変動時標高（例：数時間）と整合的かどうかを検証した。これはブロブサイズに上限を設ける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単一領域SEDモデルが予測するように、ブラザールのパーセクスケール電波コアがγ線放射の源であると考えられるか？
• RQ2 多周波数VLBIから得た電波コアの物理的パラメータ（サイズと磁場）は、SEDモデリングで仮定されているものと整合的か？
• RQ3 単一領域モデルは、観測された電波放射と高エネルギー変動時標高の両方を再現可能か？
• RQ4 VLBIコアパラメータとSEDモデル予測との不一致が、放射領域の幾何学的構造に与える影響は何か？
• RQ5 観測された電波スペクトルは、SEDモデルで仮定されているコンパクトブロブよりも大きな放射領域を要するか？

主な発見

• VLBA観測から得られた43 GHzコアサイズ（$R_{43\text{GHz}}$）は、サンプル全体で≤590から≤6800×10^15 cmの範囲にあり、最小サイズはBL Lacで≤590×10^15 cmであった。
• 輝度温度とドップラー補正から推定されたコア内の磁場強度は、≤0.2 G（3C 273）から≤745 G（B2155−304）の範囲にあり、強い変動を示す源で最大値を示した。
• PKS B1510−089では、SEDモデルが予測するブロブサイズは1.9×10^15 cm、磁場は0.09 Gであったが、VLBAデータはサイズを≤3900×10^15 cm、磁場を≤16.7 Gに制限しており、サイズ推定に顕著な不一致が生じた。
• PKS B1510−089のSEDモデルは、小さなブロブサイズが高周波数で強いシンクロトロン自己吸収を引き起こすため、観測された硬い電波スペクトルとは整合せず、電波放射レベルを大幅に低く予測していた。
• 観測されたγ線変動時標高（数時間）は、ブロブサイズに約10^15 cmの上限を設けるが、これは単一領域モデルで電波放射を説明するために必要なより大きなサイズとは矛盾する。
• 結果から、電波放射は高エネルギー放射を発生させるブロブの下流に位置する拡張した構造（R > R_{43\text{GHz}}）由来である可能性が示唆され、これは滑らかなジェットまたは複数のコンポーネントである可能性がある。現行のVLBIデータではこの構造は解像できない。