[論文レビュー] First study of Mrk 501 through the eyes of NuSTAR, VERITAS and the LIDAR-corrected eyesight of MAGIC

K. Noda, A. Furniss+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 20, 2015

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、2013年7月の活動的状態を捉えた、NuSTAR、MAGIC、VERITAS、Fermi-LATを用いた、初の同時多波長キャンペーンを、blazar Mrk 501に対して実施した。本研究では、サハラ砂漠に由来するチリ層に起因する曇りの状態でも高エネルギーガンマ線データを回復可能にする、新しいLIDARベースの大気補正技術を導入した。この技術により、地上系チェレンコフ望遠鏡の利用可能なデータ量が著しく拡大され、将来の望遠鏡、例えばチェレンコフ望遠鏡アレイ（Cherenkov Telescope Array）の基準を確立した。

ABSTRACT

The blazar Mrk 501 is among the brightest X-ray and TeV sources in the sky, and among the few sources whose spectral energy distributions can be characterized by current instruments with relatively short observations (minutes to hours). In 2013, we organized an extensive multi-instrument campaign including Fermi-LAT, MAGIC, VERITAS, F-GAMMA, Swift, GASP-WEBT, and other groups and instruments which provided the most detailed temporal and energy coverage on Mrk 501 to date. This campaign included, for the first time, observations with the Nuclear Stereoscopic Telescope Array (NuSTAR), a satellite mission launched in 2012. NuSTAR provides unprecedented sensitivity in the hard X-ray range 3-79 keV, which, together with very high energy (VHE; >100 GeV) observations, is crucial to probe the highest energy electrons in Mrk 501. The campaign covered a few day long flaring activity in July 2013 which could be studied with strictly simultaneous NuSTAR and MAGIC observations. A large fraction of the MAGIC data during this activity was affected by hazy atmospheric conditions, due to a sand layer from the Saharan desert. These data would have been removed in any standard Cherenkov Telescope data analysis. MAGIC has developed a technique to correct for adverse atmospheric conditions, making use of information from the LIDAR facility at the MAGIC site, and applies an event-by-event correction to recover data affected by adverse weather conditions. This is the first time that LIDAR information has been used to produce a physics result with Cherenkov Telescope data taken during adverse atmospheric conditions, and hence sets a precedent for current and future ground-based gamma-ray instruments. In this contribution we report the observational results, focusing on the LIDAR-corrected MAGIC data and the strictly simultaneous NuSTAR and MAGIC/VERITAS data, and discuss the scientific implications.

研究の動機と目的

• 2013年7月に発生した活動的状態を、電波からVHEにまで及ぶ広帯域の同時多機器観測により、これまでで最も詳細にモニタリングし、スペクトルエネルギー分布（SED）を捉えること。
• NuSTARの画期的なハードX線感度（3–79 keV）を活用し、源の放射領域に存在する最高エネルギー電子を調べること。
• チェレンコフ望遠鏡データに対する、新しいLIDARベースの大気補正技術を検証し、悪天候時におけるデータ利用可能性を高めること。
• X線帯とVHE帯の厳密な同時観測により、スペクトルエネルギー分布の解釈における曖昧さを解消し、特に急激な変動が見られる状況での解析を可能にすること。
• 観測された活動的状態とスペクトル変動を説明する単一領域のシンクロtron自己コンプトン（SSC）モデルの妥当性を検証すること。

提案手法

• 2013年7月に発生した3日間の活動的状態期に、NuSTAR、MAGIC、VERITAS、Fermi-LAT、Swift、GASP-WEBT、F-GAMMA、および光学・電波施設を含む多機器連携キャンペーンを実施した。
• NuSTARのハードX線能力（3–79 keV）を活用し、高感度で同時性を保ったX線データを取得することで、ハードX線帯域における精密なスペクトル測定を可能にした。
• 現場に設置されたLIDARシステムから得られるリアルタイムの大気情報を利用し、イベント単位での補正技術を適用することで、サハラ砂漠に由来するチリ層に起因する大気の劣化を低減した。
• 活動的状態下で、NuSTARとMAGIC/VERITASの厳密な同時観測データを用いて、Mrk 501の全バンドスペクトルエネルギー分布（SED）を再構築した。
• 観測されたSEDを、電子ローレンツ因子、磁場、ドーピラー因子を変化させる単一領域シンクロtron自己コンプトン（SSC）モデルでフィットさせ、放射の物理的メカニズムを制約した。
• 逆コンプトン散乱の領域（トンプソン領域対クライン=ニシナ領域）を検証するため、線形および2次関数フィッティング関数を用いてX線とVHEのflux間の相関の有意性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 サハラ砂漠に由来するチリ層に起因する曇りの状態で、LIDARベースの補正技術がMAGICのVHEガンマ線データを効果的に回復できるか。
• RQ2 X線帯とVHE帯の厳密な同時観測により、短時間で強い活動的状態にあるMrk 501の広帯域スペクトルエネルギー分布（SED）はどのように変化するか。
• RQ3 X線とVHEのflux間に観測された相関関係は、2次関数的関係か線形関係かが適切か。この結果は、逆コンプトン散乱の領域に何を示唆するか。
• RQ4 観測された活動的状態は、単一領域シンクロtron自己コンプトン（SSC）モデルでどの程度説明可能か。また、放射領域の物理的パラメータは何か。
• RQ5 SEDモデリングから導かれた物理的パラメータ（例：電子エネルギー、磁場、ドーピラー因子）は、過去のキャンペーンや理論的予想と比較してどの程度一致するか。

主な発見

• LIDAR補正済みMAGICデータは、曇りの状態で通常は破棄されるはずのVHE観測の大部分を回復できた。この際、系統誤差はわずかに増加したにとどまり、実用的意義は極めて高い。
• X線（NuSTAR/Swift）とVHE（MAGIC/VERITAS）のflux間に明確で有意な相関が観測され、2次関数で最もよくフィットした。これは、逆コンプトン散乱がトンプソン領域で発生している可能性を示唆している。
• 活動的状態下のSEDは、単一領域SSCモデルで良好にフィットした。ピークflux状態では、最大電子ローレンツ因子γ_max ≈ 1.4 × 10^6、磁場B ≈ 0.03 Gが得られた。
• ピークフレア時には、電子集団の等方的放射出力L_e ≈ 3.6 × 10^43 erg/sに達し、放射効率ε = L_B / L_e ≈ 5.3 × 10^{-4}であった。これは、効率的な電子冷却を示している。
• 導出されたドーピラー因子δ ≈ 15および放射領域サイズR ≈ 5 × 10^15 cmは、相対論的ビーム効果とblazarジェットに一般的に見られるコンパクトな放射領域と整合的である。
• 本キャンペーンは、LIDARデータを用いて地上系チェレンコフ望遠鏡の科学的利得を拡大可能であることを実証した。今後の望遠鏡、例えばチェレンコフ望遠鏡アレイ（Cherenkov Telescope Array）の基準を確立した。