[論文レビュー] Intrinsic spectra of H.E.S.S. blazars : what would we see without EBL absorption

C. Romoli, D. A. Sanchez⋆+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 3, 2017

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、H.E.S.S. ブラザールの固有の非常に高エネルギー（VHE）ガンマ線スペクトルを、モデルに依存しないEBL測定を用いて銀河間背景光（EBL）吸収を補正することで再構築した。H.E.S.S. とFermi-LATのデータを組み合わせることで、大多数の源に対してスペクトルカットオフエネルギーの下限を導出し、わずか3つの明るいブラザールではνf(ν)表現におけるピークエネルギーが制約された。これにより、AGNジェットにおけるVHE放射メカニズムに関する知見が得られた。

ABSTRACT

The vast majority of extragalactic sources detected in the very high energy (E> 100 GeV) domaine are active galactic nuclei (AGN) located at cosmological distances. During their travel towards Earth, the emitted gamma-rays suffer from absorption by the extragalactic background light (EBL). The density of the EBL is not very well constrained by direct or indirect measurement which leads to uncertainties on the intrinsic spectrum of the sources. High-quality AGN spectra obtained with the High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) have been used to perform a model-independent measurement of the EBL spectral energy distribution. While the precision of this measurement remains limited, it reflects the sensitivity of H.E.S.S. alone to the EBL and offers the possibility to access the intrinsic spectra of AGNs in a consistent manner, taking into account the derived uncertainties on the EBL spectral energy distribution. In this contribution, we study the intrinsic spectra as measured by H.E.S.S. and by the Fermi Large Area Telescope (LAT) of several blazars of the H.E.S.S. sky. This provides the opportunity to have new insight into the emission processes at play in the jets of AGN. The data presented consist of monitoring data of quiescent state of blazars and also bright blazar flares, such as PKS~2155-304, Mrk~421, recorded by H.E.S.S.

研究の動機と目的

• EBL吸収による観測スペクトルの歪みを補正することで、H.E.S.S. ブラザールの固有VHEガンマ線スペクトルを特定すること。
• H.E.S.S. データから導出されたモデルに依存しないEBLスペクトルエネルギー分布の測定を用いることで、固有源スペクトルの不確実性を低減すること。
• 特にνf(ν)表現におけるピークエネルギーと放射度を含む、ブラザールのスペクトルエネルギー分布（SED）を調査し、AGNジェット内の放射メカニズムを解明すること。
• 同時期のFermi-LATおよびH.E.S.S. データを組み合わせることで、スペクトルフィッティングの正確性を向上させ、スペクトルカットオフに対する強固な制約を得ること。
• ベイジアン推論アプローチを用いて導出されたEBL不確実性を考慮することで、固有源特性への一貫性のあるフレームワークを提供すること。

提案手法

• H.E.S.S. およびFermi-LATデータを同時にフィットするベイジアン推論モデルを用い、パワー則に指数カットオフを加えたスペクトルモデル（PLEC）を仮定する。
• 統計的相関を保持したまま、任意のスペクトルモデルに依存しない形でH.E.S.S. スペクトル点を抽出するため、ベイジアンアンフォールディング技術を適用する。
• 同じH.E.S.S. データセットから得られたEBLスペクトルエネルギー分布を用いてH.E.S.S. データを補正し、不確実性を四乗和で加算する。
• 収束性を確保し、物理的に妥当な値を優遇するため、スペクトルカットオフエネルギーE_cに比例する事前分布1/E_cを用いる。
• 統計的不確実性とEBL由来の不確実性を両方組み込んだ、フラックス点の多変量正規分布に基づく尤度関数を適用する。
• 8年間のFermi-LATデータとH.E.S.S. 観測（静穏状態および爆発的増光を伴う例：PKS 2155-304を含む）を用いて、9個のブラザールについてスペクトルフィッティングを実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 EBL吸収を補正した後、H.E.S.S. ブラザールの固有VHEガンマ線スペクトルはどのようなものか？
• RQ2 単純なパワー則（PL）、対数放物線（LP）、またはパワー則に指数カットオフを加えたモデル（PLEC）を用いてフィットした場合、H.E.S.S. ブラザールの固有スペクトルはどのように異なるか？
• RQ3 Fermi-LATとH.E.S.S. データを組み合わせた結果、νf(ν)表現におけるスペクトルピークエネルギー（E_peak）が制約されたブラザールはどれか？その他の源については下限は何か？
• RQ4 研究対象のブラザールについて、95%信頼水準のスペクトルカットオフエネルギーE_cの下限は何か？また、SEDにおけるピーク放射度とどのように相関するか？
• RQ5 スペクトルフィッティングプロセスにEBL不確実性を組み込むことで、固有源スペクトル再構築の信頼性はどのように変化するか？

主な発見

• H.E.S.S. データのみでフィットした場合、大多数のH.E.S.S. ブラザールの固有スペクトルは単純なパワー則（PL）でよく説明され、VHEバンド内でのスペクトルカットオフの強い証拠は得られなかった。
• 9つのうち3つの源、すなわち1ES 0229+200、1ES 0347-121、1ES 1101-232 のみが、Fermi-LATとH.E.S.S. データの組み合わせによりνf(ν)表現におけるスペクトルピークエネルギー（E_peak）が制約された。それぞれのE_peakは0.52 TeV、0.33 TeV、0.4 TeVであった。
• 残りの6つの源については、95%信頼水準のスペクトルカットオフエネルギーE_cの下限が導出され、0.45 TeV（1ES 0414+009）から1.63 TeV（1ES 0229+200）の範囲に分布した。
• νf(ν)表現におけるピーク放射度は、1ES 1312-423で0.70 × 10⁻⁸ TeV cm⁻² s⁻¹から1ES 1101-232で1.72 × 10⁻⁸ TeV cm⁻² s⁻¹の範囲であり、最も高い放射度は最も制約のきつい源と関連していた。
• ベイジアンモデルは、E_cに1/E_cの事前分布を用いることで、物理的に不適切な高い値を抑制し、スペクトルカットオフ推定の堅牢性を保証していることを確認した。
• 結果として、H.E.S.S. とFermi-LATのデータの組み合わせにより、EBL不確実性を分析中に適切に伝播させた一貫性のあるモデルに依存しない固有スペクトル再構築が可能であることが示された。