[論文レビュー] Detection of very-high-energy gamma rays from the most distant and gravitationally lensed blazar QSO B0218+357 using the MAGIC telescope system

J. Sitarek, J. Becerra González+8 more|arXiv (Cornell University)|Aug 19, 2015

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 3被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、赤方偏移 z=0.944 の重力レンズ効果を受けるブラジャー QSO B0218+357 からの非常に高エネルギー (VHE) ガンマ線の初検出を、MAGIC望遠鏡システムを用いて報告している。Fermi-LAT が測定した 11.46 日の時間遅れに基づいて事前に観測をスケジューリングすることで、フレア状態中に 5.7σ の検出を達成し、これはこれまでに検出された最も遠方の VHE ソースであり、かつこれらのエネルギーで観測された唯一の重力レンズ効果を受けるブラジャーである。

ABSTRACT

QSO B0218+357 is a blazar located at a cosmological redshift of z=0.944. It is gravitationally lensed by a spiral galaxy at a redshift of z=0.68. The blazar and its lens are well studied in the radio through X-ray bands, and several blazar outbursts were detected by Fermi-LAT at energies above 100 MeV. Strong gravitational lensing was invoked to explain the two components appar- ent in the radio and GeV light curves, separated by 10-12 days. In July 2014 another outburst was observed by Fermi-LAT, triggering follow-up observations with the MAGIC telescopes at energies above 100 GeV. The observations were scheduled at the expected time of arrival of the component delayed by the strong gravitational field of the lens, resulting in a firm detection of QSO B0218+357. Using the combined Fermi-LAT and MAGIC data sets, we report on variability of this unique blazar, the most distant among all currently known very high energy sources.

研究の動機と目的

• 赤方偏移 z=0.944 の、これまでに知られている最も遠方の VHE ソースである QSO B0218+357 からの非常に高エネルギー (VHE) ガンマ線放射を検出すること。
• Fermi-LAT が測定した重力レンズ効果による時間遅れ (11.46±0.16 日) を活用し、MAGIC の標的観測をスケジューリングすることで、検出感度を向上させること。
• 高放射状態におけるこの極端なソースの変動性およびスペクトル的性質を研究すること。
• 宇宙距離における外部銀河背景光 (EBL) 吸収が、VHE ガンマ線に与える影響を検証すること。

提案手法

• Fermi-LAT が検出したフレアの遅延成分の到着時刻を予測し、その時期に合わせて MAGIC 観測をスケジューリングした。
• 17m 直径のミラーを備えたアップグレード済み MAGIC 望遠鏡を用い、50 GeV 以上の VHE ガンマ線を検出。50 時間の観測で、約 0.6% Crab フラックスの感度を達成した。
• 検出の有意性を評価するために、尤度に基づくソース有意性テスト (TS) を適用。TS=9 は約 2.5σ、TS=25 は約 4.6σ に対応する。
• 尤度比法を用いてフラックスと上限を計算。系統的不確実性はエネルギースケールのキャリブレーション (15%) が主因となった。
• Fermi-LAT の 0.3 GeV 以上の光曲線と MAGIC のデータを統合し、多波長の変動性およびスペクトル的進化を比較した。
• MAGIC の光曲線にガウス関数をフィットしてフレアの特徴的な timescale を推定した。その値は 1 日未満であった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 赤方偏移が非常に高いブラジャー QSO B0218+357 (z=0.944) からの VHE ガンマ線放射は、強い EBL 吸収があるにもかかわらず検出可能か？
• RQ2 Fermi-LAT の光曲線に観測された 11.46 日の時間遅れを、地上の IACT による即時の追従観測のトリガーに利用できるか？
• RQ3 QSO B0218+357 が VHE エネルギー帯で高放射状態にあった際のフラックスおよびスペクトル的挙動はいかなるものか？
• RQ4 VHE フレアの変動 timescale は GeV エネルギー帯のものと比較してどう異なるか？ これは放射メカニズムに何を示唆するか？
• RQ5 重力レンズ効果は、観測された VHE フラックスおよびその変動性にどのような影響を与えるか？

主な発見

• 2014年7月25日〜26日、2晩にわたる観測中に、5.7σ の有意な VHE ガンマ線放射の検出が達成された。
• 100 GeV 以上の平均 VHE フラックスは (5.8 ± 1.6_stat ± 2.4_syst) × 10⁻¹¹ cm⁻² s⁻¹ と測定され、系統的不確実性は主に 15% のエネルギースケール不確実性に起因した。
• MAGIC 光曲線へのガウス関数フィットにより、VHE フレアの特徴的な timescale が 1 日未満であると示された。
• 遅延成分の時期における Fermi-LAT フラックスは、平均状態の約 20 倍高く、かつ非定常状態よりも著しく硬いエネルギー指数を示した。
• QSO B0218+357 は、赤方偏移 z=0.944 を有する、これまでに検出された最も遠方の VHE ソースであり、かつ VHE エネルギー帯で観測された唯一の重力レンズ効果を受けるブラジャーである。
• Fermi-LAT の時間遅れに基づいた事前の観測スケジューリングのおかげで、通常の IACT 追従観測の遅れを克服して検出が実現した。