[論文レビュー] Detection of gamma rays of likely jet origin in Cygnus X-1

R. Zanin, Alba Fernández-Barral+5 more|arXiv (Cornell University)|May 19, 2016

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 75被引用数 30

ひとこと要約

本研究では、サイクヌスX-1で60 MeV以上で5.5 × 10³³ erg s⁻¹の高エネルギーガンマ線放射が8σの有意水準で検出された。この放射は硬いX線状態および相対論的電波ジェットと強く相関しており、エネルギースペクトルは光子指数2.3 ± 0.2のパワーロー法で良好にフィットする。これは、ジェット内の相対論的電子が星間光を逆コンプトン散乱することで生じる現象を示しており、GeV帯放射のジェット起源を支持する。

ABSTRACT

Aims: Probe the high-energy ($>$60 MeV) emission from the black hole X-ray binary system, Cygnus X-1, and investigate its origin. Methods: We analysed 7.5 yr of data by Fermi/LAT with the latest PASS8 software version. Results: We report the detection of a signal at $\sim$8 $σ$ statistical significance spatially coincident with Cygnus X-1 and a luminosity above 60 MeV of 5.5$ imes$10$^{33}$ erg s$^{-1}$. The signal is correlated with the hard X-ray flux: the source is observed at high energies only during the hard X-ray spectral state, when the source is known to display persistent, relativistic radio emitting jets. The energy spectrum, extending up to $\sim$20 GeV without any sign of spectral break, is well fitted by a power-law function with a photon index of 2.3$\pm$0.2. There is a hint of orbital flux variability, with high-energy emission mostly coming around the superior conjunction. Conclusions: We detected GeV emission from Cygnus X-1 and probed that the emission is most likely associated with the relativistic jets. The evidence of flux orbital variability points to the anisotropic inverse Compton on stellar photons as the mechanism at work, thus constraining the emission region to a distance $10^{11}-10^{13}$ cm from the black hole.

研究の動機と目的

• サイクヌスX-1、ブラックホールX線連星系からの高エネルギー（≥60 MeV）ガンマ線放射の起源を調査すること。
• 観測された高エネルギー放射が、電波およびX線活動によって示唆される相対論的ジェットに関連しているかどうかを特定すること。
• 源のスペクトル状態との相関をとったスペクトルおよび放射率変動の分析により、放射メカニズムを制約すること。
• 逆コンプトン散乱がジェット内での主要放射メカニズムであるという仮説を検証すること。
• 近い将来のCTA観測および延長されたFermi-LATデータを用いて、スペクトルカットオフの検出可能性を評価すること。

提案手法

• Fermi-LAT Pass 8データを用いて7.5年間の高エネルギーガンマ線放射の検出と特徴抽出。
• サイクヌスX-1の既知の位置との空間的クロス相関を実施し、源の関連性を確認。
• パワーロー法モデルを用いたエネルギー分布のスペクトルフィッティングにより、光子指数を決定し、スペクトルの折り返し点の有無を調査。
• 軌道位相にわたる放射率変動の時間的分析により、ジェット幾何学的構造や観測方向に起因する変調を同定。
• 同時に取得された硬いX線および電波データと比較し、硬いスペクトル状態およびジェット活動とガンマ線放射を相関。
• アーカイブの多波長データ（X線、INTEGRAL、BeppoSAX）を用いて、広帯域スペクトルエネルギー分布（SED）を構築し、文脈的背景を提供。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 サイクヌスX-1からの高エネルギーガンマ線放射は、コンパクト天体と空間的に一致しており、ジェット起源と整合的か？
• RQ2 ガンマ線放射率は、硬いX線スペクトル状態および持続的な相対論的ジェット活動と相関しているか？
• RQ3 ガンマ線放射のスペクトル形状は何か？ また、放射損失を示す高エネルギー領域のカットオフの兆候は見られるか？
• RQ4 ガンマ線放射の軌道位相依存的変動は検出可能か？ そして、これは放射の幾何学的構造に何を示唆するか？
• RQ5 GeV帯放射を支配する主要放射メカニズムは何か？ また、シンクロtron放射またはハドロン的プロセスを含むモデルと比較するとどうなるか？

主な発見

• 60 MeV以上で8σの有意水準のガンマ線信号がサイクヌスX-1から検出され、放射率は5.5 × 10³³ erg s⁻¹であった。
• ガンマ線放射は硬いX線スペクトル状態および相対論的電波ジェットと強く相関しており、ジェット起源を示唆する。
• エネルギースペクトルは、光子指数2.3 ± 0.2のパワーロー法で良好にフィットし、約20 GeVまでにスペクトルの折り返し点が認められなかった。
• 軌道的放射率変動が観測され、特に上弦の位置でガンマ線放射が増強しており、非等方的放射を示唆する。
• 観測された変動は、相対論的電子による星間光の逆コンプトン散乱が主放射メカニズムであることを支持する。
• 放射領域はブラックホールから10¹¹–10¹³ cmの距離に制限され、ジェット起源と整合的である。