[論文レビュー] Coordinated Fermi/Optical Monitoring of Blazars and the Great 2009 September Gamma-ray Flare of 3C 454.3

Paul S. Smith, Edward Montiel+4 more|ArXiv.org|Dec 18, 2009

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 96

ひとこと要約

本研究では、ステュワード天文台の2.3–1.5 m望遠鏡を用いて、2009年9月のガンマ線フレア期におけるblazar 3C 454.3を含む、連携的な光学スペクトロポラリメトリックモニタリングを実施した。その結果、blazarが光度で明るくかつ強く変動している間でも、ポラリゼーションは低く（P < 5%）維持され、短時間の高ポラリゼーション状態を除いては、発光領域の複雑な構造や、ガンマ線フレアと直接相関しない複数の成分が存在することを示唆している。

ABSTRACT

We describe the optical spectropolarimetric monitoring program at Steward Observatory centered around gamma-ray-bright blazars and the LAT Monitored Source List planned for Fermi Cycles 2-4. The large number of measurements made during Cycle 1 of the Fermi mission are available to the research community and the data products are summarized (see http://james.as.arizona.edu/~psmith/Fermi). The optical data include spectropolarimetry at a resolution of ~20 A, broad-band polarization and flux measurements, and flux-calibrated spectra spanning 4000-7600 A. These data provide a comprehensive view of the optical variability of an important sample of objects during the Fermi Era. In addition to broad-band flux and linear polarization monitoring, the spectra allow for the tracking of changes to the spectral index of the synchrotron continuum, importance of non-synchrotron emission features, and how and when the polarization varies with wavelength, an important clue as to the structure of the emission region or the identification of multiple nonthermal components. As an illustration, we present observations of 3C 454.3 obtained in 2009 September during an exceptionally bright gamma-ray flare. The blazar was optically bright during the flare, but except for a few short periods, it showed surprisingly low polarization (P &lt; 5%). Opportunities exist within the Fermi research community to coordinate with our long-term optical monitoring program toward the goal of maximum scientific value to both the Fermi and associated radio VLBI monitoring of blazars.

研究の動機と目的

• 同時多波長モニタリングを用いて、ガンマ線と光学的発光の物理的関連性を検討すること。
• 特に2009年9月の3C 454.3の明るいフレア期において、光学的光度とポラリゼーションの変動がガンマ線フレアと相関するかどうかを特定すること。
• 高分解能スペクトロポラリメトリーを用いて、シンクロトロン連続スペクトル、幅広い発光線、および非シンクロトロン成分（例えばビッグ・ブルー・バンプ）の寄与を区別すること。
• Fermiミッション時代の多波長研究を支援するため、公開用の高頻度光学データセットを提供すること。
• Fermi-LATおよびVLBIとの将来的な連携研究を可能にするために、長期的で高SN比の光学モニタリングベースラインを提供すること。

提案手法

• ステュワード天文台の2.3–1.5 m望遠鏡を用いて、Fermiでモニタリングされているblazarに対して、毎晩のスペクトロポラリメトリック観測を実施し、波長分解能は約20 Åとした。
• 4000–7600 Åの波長域で、全バンド光度、線形ポラリゼーション（P）、およびポラリゼーション位置角（θ）を測定し、波長依存のポラリゼーション解析を可能にした。
• フラックスキャリブレーション済みスペクトルを取得し、スペクトル指数の変化を追跡し、Mg II やビッグ・ブルー・バンプのような発光・吸収特徴を同定した。
• Fermi-LATの光度曲線と比較して、ガンマ線フレアと光学的光度／ポラリゼーション変動との相関を探索した。
• フル解像度スペクトルを用いて、偏光成分を分離し、非偏光成分に依存しないシンクロトロン発光のスペクトル指数を独立して決定した。
• 波長依存ポラリゼーション行動（P(λ)、θ(λ)）を分析し、発光領域の幾何構造を推定し、非熱的成分が複数存在することを検出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3C 454.3において、ガンマ線フレアのピークと光学的光度またはポラリゼーション変動との間に直接的な物理的相関があるか？
• RQ2 2009年9月のフレア期に、光学的シンクロトロン連続スペクトルのスペクトル指数はどのように変化し、発光領域の性質を何を示唆するか？
• RQ3 高い光度と強い変動があるにもかかわらず、観測された低光学ポラリゼーション（P < 5%）の原因は何か？
• RQ4 波長依存ポラリゼーション（P(λ)、θ(λ)）は、ビッグ・ブルー・バンプや宿主銀河の星光といった複数の発光成分の存在を明らかにできるか？
• RQ5 高光度状態と低光度状態との間で、偏光スペクトルの性質はどのように変化し、これは主な発光メカニズムに何を示唆するか？

主な発見

• 2009年9月のガンマ線フレア期に、3C 454.3はV ≈ 14.05のピーク光学光度に達し、静穏状態と比較して明るさが著しく増加した。
• 高い光学的光度にかかわらず、フレアの大部分において光学線形ポラリゼーションは低く（P < 5%）維持され、一時的に約10%に上昇する状態や、1回の期間で約19.7%に達する状態を除いては、低く保たれた。
• ポラリゼーション位置角（θ）は、フレア中も約150°で比較的安定しており、わずかな変動しか示さなかった。これは、発光領域内の磁場の向きが安定していることを示唆している。
• 分光的解析により、明るい光学スペクトルは静穏時と比べてはるかに赤みがかったことが判明し、これはシンクロトロン連続スペクトルが支配的で、Mg II 発光線が抑制されていることを示している。
• 一方、やや暗い状態（2009年1月30日）では、スペクトルは青みがかった形で、ほぼ非偏光的（P < 1%）であり、これはビッグ・ブルー・バンプが連続スペクトルを支配しており、波長依存ポラリゼーション特徴を引き起こしていることを示している。
• 中程度の明るさ状態では、ビッグ・ブルー・バンプに特徴的な波長依存ポラリゼーションのシグネチャ（青域でPが低下し、θは波長に依存せず一定）が観測され、その存在と偏光スペクトルへの影響が確認された。