[論文レビュー] Multi-waveband Variations of Blazars during Gamma-ray Outbursts

Alan P. Marscher|arXiv (Cornell University)|Jan 25, 2012

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用数 13

ひとこと要約

本稿では、ガンマ線活動期におけるクェザールの多波長変動を説明するため、乱流プラズマが定常的な円錐型衝撃波（マッハディスク）を通過することで、パーセクスケールの43 GHzコア付近でフレアが発生すると仮定する、乱流的極端多領域（TEMZ）モデルを提案する。このモデルでは、電子の加速と逆コンプトン放射の増強が、複数の放射領域における変動する磁場、電子密度、相対論的乱流の影響を受けることで実現される。このモデルは、光度曲線の相関関係と相違点を再現する。

ABSTRACT

Multi-wavelength light curves of bright gamma-ray blazars (e.g., 3C 454.3) reveal strong correlations across wavebands, yet striking dissimilarities in the details. This conundrum can be explained if the variable flux and polarization result from both (1) modulation in the magnetic field and relativistic electron content imparted at the jet input and (2) turbulence in the flow. In the Turbulent Extreme Multi-Zone (TEMZ) model being developed by the author, much of the optical and high-energy radiation in a blazar is emitted near the 43 GHz core of the jet as seen in VLBA images, parsecs from the central engine, as indicated by observations of a number of blazars. The model creates simulated light curves through numerical calculations that approximate the behavior of turbulent plasma - modulated by random fluctuations of the jet flow - crossing a cone-shaped standing shock system that compresses the plasma and accelerates electrons to highly relativistic energies. A standing shock oriented transverse to the jet axis (Mach disk) at the vertex of the conical shock can create a variable nonthermal seed photon field that is highly blueshifted in the frame of the faster jet plasma, leading to highly luminous, rapidly variable gamma-ray emission.

研究の動機と目的

• ガンマ線フレア期における強い多波長相関関係と詳細な相違点を示すクェザール光度曲線の間にある矛盾を解消すること。
• VLBA観測におけるミリメートル波長コア活動および超光速クルーズの放出と関連づけることで、ガンマ線フレアの物理的起源を特定すること。
• 日次変動や偏光変化を含む複雑な変動パターンを再現可能な新しい多領域モデルを開発すること。
• 乱流、確率的入力フラクチュエーション、衝撃波前線における相対論的電子加速を一貫した放射フレームワークに統合すること。
• 将来の観測と比較可能な、電波からガンマ線帯域にわたるシミュレートされた光度曲線およびスペクトルエネルギー分布の構築を可能にすること。

提案手法

• 数値計算を用いて、円錐型の定常衝撃波（マッハディスク）を通過する乱流プラズマの流れをシミュレートし、電子の加速と放射をモデル化する。
• 変動する磁場、電子密度、および最大電子エネルギーを持つ複数の離散的セルをモデル化することで、確率的変動を捉える。
• 全セルからの遅延時間による放射を用いて、逆コンプトン散乱のためのシード光子場（特にSSC過程）を計算する。
• ダストトーラスからの熱赤外放射および上流領域からの自己磁気放射によるブルーシフトされたシード光子を組み込む。
• 高周波数で小さい体積充填率をとることで、スペクトルの折り返し点と波長依存の偏光を説明する体積充填率モデルを適用する。
• 今後の改良として、各ゾーンごとのサブセル、特異的乱流速度、および完全な対生成と自己吸収計算を組み込む計画である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ガンマ線フレアはジェットのどこで主に発生し、ミリ波長コア活動および超光速クルーズの放出とどのように相関するか？
• RQ2 なぜ多波長光度曲線は強い相関関係を示す一方で、タイミングと振幅に顕著な相違を示すのか？
• RQ3 乱流およびジェット入力パラメータの確率的フラクチュエーションは、観測された日次変動ガンマ線変動をどのように再現できるか？
• RQ4 マッハディスクは、逆コンプトン放射のための非常に変動的で強くブルーシフトされたシード光子場を生成する上で果たす役割は何か？
• RQ5 偏光変動とスペクトルの折り返し点は、放射領域の空間的・エネルギー的構造をどのように制約するか？

主な発見

• Fermiが検出した35個のクェザールにおける45個のガンマ線フレアのうち43個が、ミリ波長コアのフレアまたは超光速クルーズの放出と同時であった。これは、大多数のフレアが43 GHzコア付近で発生していることを示唆している。
• 光学偏光が約10％であることは、光学波長で約60の乱流セルが存在することを意味し、磁場の不規則性と乱流構造が顕著であることを示している。
• このモデルは、シンクロtronスペクトルの急激な折り返し点を、高エネルギー電子の体積充填率が小さいことが原因であると説明しており、放射冷却のみによるものではない。
• ガンマ線フレアがミリ波長フラックスの上昇期にピークに達することから、フレアはコアのわずか上流で発生している可能性があるが、依然としてパーセクスケールジェット内に位置していると考えられる。
• TEMZモデルは、小さな放射体積充填率と、乱流セル間での変動する磁場および電子密度を組み合わせることで、急速な変動を再現できる。
• 今後の改良（サブセルと完全なSSC計算の導入）により、X線およびガンマ線エネルギー帯での正確なスペクトルエネルギー分布および偏光のモデリングが可能になる。