[論文レビュー] Log-parabolic spectra and particle acceleration in blazars - II: The BeppoSAX wide band X-ray spectra of Mkn 501

E. Massaro, M. Perri+3 more|ArXiv.org|May 7, 2004

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 26被引用数 51

ひとこと要約

本研究では、5年間にわたる高エネルギーピークを持つBL Lac対象Mkn 501のBeppoSAX X線観測を分析し、全光度状態においてX線スペクトルが最も良好にロジスティック放物線則で記述されることを明らかにした。1997年のフレア期における同期放射ピークエネルギーと放射束の強い相関（E_peak ∝ F_b^{1.4}）および硬X線過剰の兆候は、変動する高エネルギー成分が83–140 keVでピークを迎える二成分発光モデルを示唆し、単純なローレンツ因子の変化を超える複雑な粒子加速過程を示している。

ABSTRACT

We present the results of a spectral and temporal study of the complete set of BeppoSAX NFI (11) and WFC (71) observations of the BL Lac object Mkn 501. The WFC 2-28 keV data, reported here for the first time, were collected over a period of about five years, from September 1996 to October 2001. These observations, although not evenly distributed, show that Mkn 501, after going through a very active phase from spring 1997 to early 1999, remained in a low brightness state until late 2001. The data from the LECS, MECS and PDS instruments, covering the wide energy interval 0.1-150 keV, have been used to study in detail the spectral variability of the source. We show that the X-ray energy distribution of Mkn 501 is well described by a log-parabolic law in all luminosity states. This model allowed us to obtain good estimates of the SED synchrotron peak energy and of its associated power. The strong spectral variability observed, consisting of strictly correlated changes between the synchrotron peak energy and bolometric flux, suggests that the main physical changes are not only due to variations of the maximum Lorentz factor of the emitting particles but that other quantities must be varying as well. During the 1997 flare the high energy part of the spectrum of Mkn 501 shows evidence of an excess above the best fit log-parabolic law suggesting the existence of a second emission component that may be responsible for most of the observed variability.

研究の動機と目的

• BeppoSAXデータを用いて、Mkn 501の0.1–150 keVエネルギー範囲におけるスペクトル的・時間的変動を調査すること。
• Mkn 501のスペクトルエネルギー分布（SED）における同期放射ピークに、標準的パワー則よりもロジスティック放物線スペクトルモデルがより良いフィットを示すかどうかを検証すること。
• スペクトル的変動が、相対論的電子の最大ローレンツ因子の変化に起因するだけであり、他の物理的パラメータを必要としないかどうかを特定すること。
• 特に1997年のフレア期に、同時多機器データを用いてX線バンドにおける複数の発光成分の存在を調査すること。
• ロジスティック放物線成分を用いたSEDモデリングと光学データの比較を通じて、観測されたスペクトルの曲率および変動の物理的起源を制約すること。

提案手法

• BeppoSAXの11件のポイント指向NFI観測（LECS, MECS, PDS）および71件の偶然的WFC検出を分析し、それぞれ0.1–150 keVおよび2–28 keVのエネルギー範囲をカバーした。
• スペクトルエネルギー分布を、振幅（K）、曲率（b）、ピークエネルギー（E_peak）の3つのパラメータで定義されるロジスティック放物線スペクトルモデルでフィットした。
• 1997年のフレア期に特に注目し、観測間でロジスティック放物線パラメータを変化させることでスペクトル的変動をモデリングした。
• 硬X線過剰を説明するため、主成分（LE）に加え、別個のピークエネルギーと正規化を持つ第二のロジスティック放物線成分（HE）を追加した二成分モデルをテストした。
• 観測された放射束の変動に一致するようにHE成分のパラメータを制約し、全SEDと整合性を持たせた。一方で、LE成分の曲率および正規化はやや変動させた。
• 二成分モデルと単一成分フィットを比較し、観測されたE_peak–放射束相関に与える影響を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Mkn 501のX線スペクトルエネルギー分布は、全光度状態において一貫してロジスティック放物線則に従うか？
• RQ2 観測されたスペクトル的変動の背後にある物理的メカニズムは何か。特に、同期放射ピークエネルギーと全波長放射束（E_peak ∝ F_b^{1.4}）との強い相関はどのような意味を持つか？
• RQ3 1997年のフレア期に観測された硬X線過剰は、単一のロジスティック放物線成分で説明できるか、それとも追加の発光成分が必要か？
• RQ4 異なるピークエネルギーと正規化を持つ二成分発光モデルによって、観測されたスペクトルの曲率および放射束変動を再現できるか？
• RQ5 1997年のフレア期に、高エネルギー成分（HE）のパラメータはどのように変化するか。これは粒子加速過程にどのような示唆を与えるか？

主な発見

• Mkn 501のX線SEDは、全光度状態においてロジスティック放物線則で良好に記述され、ピークエネルギー（E_peak）と放射束（F_b）の間にはE_peak ∝ F_b^{1.4}という強い相関が見られた。
• 1997年のフレア期に、30 keV以上の高エネルギー領域のスペクトルは、最良のフィットロジスティック放物線モデルを著しく上回り、第二の発光成分の存在を示唆した。
• 高エネルギー成分（HE）は83 keVから140 keVの間でピークを示し、正規化が著しく変動し、フレア期に約25倍に増加したが、その曲率（b ≈ 0.35）はほぼ一定であった。
• 低エネルギー成分（LE）はやや変動し、放射束が約20%増加した。ピークエネルギーは0.5–5 keVの間であり、曲率パラメータ（a ≈ 1.68, b ≈ 0.18）は1997年のデータと整合的であった。
• 1成分目が約1–5 keV、2成分目が83–140 keVでピークを迎える二成分モデルは、観測されたSEDに極めて良好にフィットし、特に硬X線過剰を説明できた。
• 二成分の曲率（b）値が類似していることから、同じ物理的状態に起因する可能性が示唆され、異なるピークエネルギーと放射束にもかかわらず、共通の加速メカニズムが関与している可能性を示している。