[論文レビュー] H.E.S.S. discovery of very-high-energy emission from the blazar PKS 0736+017: on the location of the $γ$-ray emitting region in FSRQs

M. Cerruti, J.-P. Lenain+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2017

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

H.E.S.S. は、フラットスペクトル電波クェザー PKS 0736+017 (z = 0.189) からの非常に高エネルギー (VHE; E > 100 GeV) γ線放射の最初の検出を報告し、これが VHE FSRQ の第6例であることを確認した。同時観測の Fermi-LAT および H.E.S.S. データからの光学厚さ、変動性、冷却制約を用いて、γ線放射領域は広帯域領域に近い場所を除き r > 8 × 10¹⁶ cm に位置すると特定した。最小のバルクローレンツ因子は Γ ≳ 10 である。

ABSTRACT

With the installation of a new 28-m diameter imaging atmospheric Cherenkov telescope in the middle of the array, the H.E.S.S. instrument has entered since 2012 into its Phase II. The fifth large-size telescope is particularly important to lower the threshold energy of the array, and is thus a unique instrument to observe low-frequency-peaked blazars, such as flat-spectrum radio-quasars (FSRQs), which remain rare in the very-high- energy (VHE; E $>$ 100 GeV) $γ$-ray domain. In this contribution, we report on the discovery with the H.E.S.S. telescopes of VHE $γ$-ray emission from the FSRQ PKS 0736+017 (z=0.189). H.E.S.S. observations were triggered as a target-of-opportunity in February 2015 following the detection of $γ$-ray flaring activity in the MeV-GeV energy-band with Fermi-LAT. Significant VHE emission is detected with H.E.S.S. only during one of the nights of the observing campaign, showing at least night-by-night variability in the VHE regime. We discuss the location of the $γ$-ray emitting region within the relativistic jet, using opacity and variability constraints.

研究の動機と目的

• マルチウェーブレングス γ線データを用いて、FSRQ PKS 0736+017 の相対論的ジェット内における γ 線放射領域の位置を特定すること。
• VHE 領域にめったに現れない低周波数ピークを持つ FSRQ のジェット放射源位置に関する長年の曖昧さを解消すること。
• スペクトル的および変動的制約を用いて、γ 線生成のメカニズムが単一領域か複数領域かを検証すること。
• 光学厚さ、変動 timescale、冷却 timescale の制約に基づき、最小のローレンツ因子および放射半径を特定すること。

提案手法

• 2015年2月に Fermi-LAT がフレア活動を示したのを受けて開始されたターゲット・オブ・オポーチュニティキャンペーンの H.E.S.S. フェーズIIデータを用いた。
• 感度とエネルギー閾値の最適化を図るため、モノスコピック（28m望遠鏡のみ）およびステレオスコピック（2台以上）の両設定を用いて解析を行った。
• Cherenkov 塁れ像の再構築および VHE 光子フラックスの抽出に、ImPACT およびモデル解析チェーンを適用した。
• γγ 対生成による光学厚さを用いて、広帯域領域（BLR）からの相対的位置を制約した。VHE スペクトルが吸収によって制限されると仮定した。
• Fermi-LAT が得た約 12 時間の変動 timescale τ ≈ 12 時間を用い、R ≈ cτδ/(1+z) を通じて放射領域のサイズを推定し、ジェットのバルクローレンツ因子 Γ および開口角 θ と関連づけた。
• 冷却 timescale τ_c ≤ τ を課し、最大エネルギー損失率を制約した。これにより、Γ–r 平面における除外領域が得られた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 VHE 放射および MeV–GeV フレア活動を示す PKS 0736+017 の相対論的ジェット内において、γ 線放射領域はどこに位置しているか？
• RQ2 Fermi-LAT と H.E.S.S. のエネルギー間で観測されたスペクトルの折り返しは、広帯域領域での γγ 吸収に起因するものとみなせるか？ これは放射源位置にどのような含意をもたらすか？
• RQ3 観測された変動 timescale およびコラテーション制約と整合する最小のバルクローレンツ因子 Γ は何か？
• RQ4 冷却 timescale と変動 timescale の両方の制約が、ブラックホール付近や広帯域領域内での放射領域を同時に除外するか？

主な発見

• H.E.S.S. は、2015年2月19日にのみ顕著な VHE γ線放射を検出しており、VHE バンドにおける強い日次変動を示している。
• Fermi-LAT（MeV–GeV）と H.E.S.S.（VHE）のエネルギー間で観測されたスペクトルの折り返しは、γγ 対生成による光学厚さと整合的であり、最小放射半径 r > 8 × 10¹⁶ cm を示唆している。
• 光学厚さ制約により、光学厚さの上限が ≃2 であると求められ、広帯域領域内での放射は除外された。
• 約 12 時間の変動 timescale は、相対論的ビーム効果を仮定した場合、最小のバルクローレンツ因子が約 10 であることを示唆している。
• 冷却 timescale 制約と変動の両方を組み合わせることで、高いローレンツ因子と小さな半径を持つ放射領域は除外され、広帯域領域の外側に位置するとさらに支持された。
• 結果として、VHE 放射源は広帯域領域およびほこりの円盤の外側に位置しており、r > 8 × 10¹⁶ cm に位置するコンパクトで相対論的に運動する領域を仮定する単一領域モデルが好ましい。