[論文レビュー] Modeling the Spectral Energy Distributions and Variability of Blazars

Markus Boettcher|arXiv (Cornell University)|May 2, 2012

Solar and Space Plasma Dynamics被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、フェルミで検出されたブレーザーの広帯域放射と変動に関する理論的モデルをレビューし、SEDを用いてレプトニック（シンクロトロン＋SSC）モデルとハドロニックモデルを比較する。単純なSSCモデルは多くのHBLに適合するが、PKS 2155-304のようなVHE放射を示すHBLでは外部コンプトンまたはハドロニックモデルを必要とし、時間に依存するシャock-in-jetモデルでは、パラメータのわずかな変化がバンド間時間遅れの符号を反転させることを示し、観測間で一貫性のない変動パターンを説明できる。

ABSTRACT

In this review, recent progress in theoretical models for the broadband (radio through gamma-ray) emission from blazars are summarized. The salient features of both leptonic and hadronic models are reviewed. I present sample modeling results of spectral energy distributions (SEDs) of different types of Fermi-detected blazars along the traditional blazar sequence, using both types of models. In many cases, the SEDs of high-frequency peaked blazars (HBLs) have been found to be well represented by simple synchrotron + synchrotron self-Compton (SSC) models. However, a few HBLs recently discovered as very-high-energy (VHE) gamma-ray emitters by VERITAS are actually better represented by either external-Compton or hadronic models. Often, spectral modeling with time-independent single-zone models alone is not sufficient to constrain models, as both leptonic and lepto-hadronic models are able to provide acceptable fits to the overall SED. This degeneracy can be lifted by considering further constraints from spectral variability. Recent developments of time-dependent and inhomogeneous blazar models will be discussed, including detailed numerical simulations as well as a semi-analytical approach to the time-dependent radiation signatures of shock-in-jet models.

研究の動機と目的

• フェルミで検出されたブレーザーの全バンドSPECTRAL ENERGY DISTRIBUTION（SED）を再現するためのレプトニックおよびハドロニックモデルの有効性を評価すること。
• 時間に依存しない単一ゾーンモデルが、レプトニックモデルとレプトニク・ハドロニックモデルの間でデゲネラシーを引き起こすため、放射メカニズムを制約する際の限界を調柜すること。
• スペクトル変動とバンド間時間遅れがモデルのデゲネラシーを解消し、物理的パラメータを制約するメカニズムを解明すること。
• 半アナリティカルな時間に依存するシャックインジェットモデルを構築・適用し、複数バンドにおける光度曲線、SED、時間遅れをシミュレートすること。
• 外部放射場のエネルギー密度u_extがSED特性と時間遅れに与える依存関係を検討すること。

提案手法

• FermiおよびVHEガンマ線データを含む、FSRQ、LBL、IBL、HBLの全バンドSEDに、1ゾーンレプトニックおよびレプトニク・ハドロニックモデルを適用してフィッティングする。
• 相対論的シャックが、バルクローレンツ因子Γとドーピラー補正係数Dを持つジェット内で電子を加速する、時間に依存する不均一なシャックインジェットモデルを適用する。
• 発光度のδ関数近似を用いて、時間的・空間的依存の電子スペクトル、放射冷却、および放射を半アナリティカルに計算する。
• 詳細なシミュレーションにおける発光度の完全評価のため、光行差時間効果と放射移動をモンテカルロ法で組み込む。
• 時間遅れを抽出するために、光学、X線、フェルミガンマ線バンドにおけるシミュレートされた光度曲線に対して離散相関関数（DCF）分析を実施する。
• 外部放射場エネルギー密度u_extを変化させ、SEDの形状、コンプトン支配度、時間遅れの逆転への影響を調査する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準的な1ゾーンレプトニックモデルは、特に非常に高エネルギー（VHE）ガンマ線で検出された高周波数ピークを持つブレーザーのSEDを十分に説明できるか？
• RQ2 なぜ一部のHBL、例えばPKS 2155-304は、静穏状態ではシンクロトロン支配であるにもかかわらず、フレア時には強いガンマ線支配を示すのか？
• RQ3 時間に依存するシャックインジェットモデルは、観測されたスペクトル変動とバンド間時間遅れをどのように再現できるか？
• RQ4 バンド間時間遅れの符号と大きさを制御する物理的パラメータは何か？ なぜそれらは観測間で一貫性がなく、不一致を示すのか？
• RQ5 外部放射場エネルギー密度u_extが、FSRQ的特徴からBL Lac的特徴への遷移をどの程度説明できるか？

主な発見

• 単純なシンクロトロン＋SSCモデルは、大多数のHBLのSEDをうまく再現できるが、PKS 2155-304のようなVHE放射を示すHBLでは外部コンプトンまたはハドロニックモデルを必要とし、それらのモデルが不可欠となる。
• VHEガンマ線で検出された少数のHBL、例えばPKS 2155-304は、フレア時に強いガンマ線支配を示すが、これは従来のブレーザー・シーケンスの予測であるシンクロトロン支配とは矛盾する。
• 時間に依存しない単一ゾーンモデルでは、レプトニックモデルとレプトニク・ハドロニックモデルの間でデゲネラシーが解消できず、両者とも同様のSEDを妥当なパラメータでフィット可能である。
• 半アナリティカルなシャックインジェットモデルでは、u_extのわずかな変化がバンド間時間遅れの符号を反転させることを示し、観測間で不一致を示す時間遅れ測定値を説明できる。
• シミュレートされた光度曲線のDCF分析から、光学、X線、ガンマ線バンド間の時間遅れはu_extに極めて敏感であり、ピーク相互相関強度はこのパラメータによって顕著に変化することが判明した。
• モデルは、u_extを増加させると、SEDがシンクロトロンピーク周波数を低め、コンプトン支配度を高める方向にシフトし、観測されたFSRQ的特徴からBL Lac的特徴への遷移を再現できることを予測している。