[論文レビュー] Multiwavelength Observations of the Powerful Gamma-ray Quasar PKS 1510-089: Clues on the Jet Composition

J Kataoka, G Madejski+17 more|University of North Texas Digital Library (University of North Texas)|Sep 11, 2007

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、γ線クェーサーPKS 1510-089における多波長キャンペーンを実施し、極めて硬いX線スペクトル（Γ ≈ 1.2）に加え、軟らかいX線過剰（kT ≈ 0.2 keV）およびスペクトルの変動性を明らかにした。外部の赤外線放射（-dusty torus-）と不均一な衝撃波におけるボリューム・コンプトン過程を組み込んだコンプトン化モデルを用いた解析により、ジェットは陽子主導であると示され、電子対陽子比 ≈10 という重要な制約が得られ、ブレーザーにおけるジェット組成に関する理解が深まった。

ABSTRACT

We present the results from a multiwavelength campaign of the powerful Gamma-ray quasar PKS 1510-089. This campaign commenced with a deep Suzaku observation lasting three days for a total exposure time of 120 ks, and continued with Swift monitoring over 18 days. Besides Swift observations, the campaign included ground-based optical and radio data, and yielded a quasi-simultaneous broad-band spectral energy distribution from 10^9 Hz to 10^{19} Hz. The Suzaku observation provided a high S/N X-ray spectrum, which is well represented by an extremely hard power-law with photon index Gamma ~ 1.2, augmented by a soft component apparent below 1 keV, which is well described by a black-body model with temperature kT ~ 0.2 keV. Monitoring by Suzaku revealed temporal variability which is different between the low and high energy bands, again suggesting the presence of a second, variable component in addition to the primary power-law emission.We model the broadband spectrum of PKS 1510-089 assuming that the high energy spectral component results from Comptonization of infrared radiation produced by hot dust located in the surrounding molecular torus. In the adopted internal shock scenario, the derived model parameters imply that the power of the jet is dominated by protons but with a number of electrons/positrons exceeding a number of protons by a factor ~10. We also find that inhomogeneities responsible for the shock formation, prior to the collision may produce bulk-Compton radiation which can explain the observed soft X-ray excess and possible excess at ~18 keV. We note, however, that the bulk-Compton interpretation is not unique, and the observed soft excess could arise as well via some other processes discussed briefly in the text.

研究の動機と目的

• 強力なγ線クェーサー、特にPKS 1510-089における相対論的ジェットの組成を制約すること。理論的モデルが存在するが、依然として不確かである。
• 軟らかいX線過剰およびX線スペクトルに見られる約18 keV付近の特徴の起源を調査すること。これは追加の放射メカニズムを示唆する可能性がある。
• 観測された全波長スペクトルエネルギー分布（10⁹ Hz から 10¹⁹ Hz）が、外部赤外線のコンプトン化および衝撃関連プロセスによって説明可能かどうかを検証すること。
• ジェット内の不均一性がボリューム・コンプトン放射を引き起こす可能性を評価し、標準的なシンクロtron自己コンプトン（SSC）モデルの代替を提示すること。
• スペクトルモデリングおよび変動性解析に基づき、ジェットのエネルギー出力が陽子か電子かのどちらによって支配されているかを評価すること。

提案手法

• Suzaku（X線）、Swift（X線およびUV/光学）、地上の電波および光学望遠鏡（RATAN-600、ATCA、REM、ハイデルベルク）を用いた3週間の多波長キャンペーンを実施した。
• 10⁹ Hz から 10¹⁹ Hz にわたり、10桁にわたる周波数範囲をカバーする準同時全波長スペクトルエネルギー分布を取得した。
• 0.1 keV未満の軟らかい過剰をモデル化するため、X線スペクトルに硬いパワーロウ（Γ ≈ 1.2）に加え、黒体成分（kT ≈ 0.2 keV）を組み込んだ。
• 外部コンプトン（EC）モデルを適用し、r > r_BLR の半径で赤外線を放出するほこりを含む円盤（dusty torus）からの光子をコンプトン化することで、高エネルギー成分を説明した。
• 軟らかいX線過剰および約18 keV付近の特徴を、ブロードライン領域（BLR）放射場と相互作用する衝撃形成の不均一な領域からのボリューム・コンプトン放射としてモデル化した。
• 代替的解釈として、SSC成分の寄与や非ブレーザーAGNで観測される内在的軟らかい過剰の可能性を検討し、モデルの妥当性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PKS 1510-089で観測された1 keV未満の軟らかいX線過剰の起源は何か。これはボリューム・コンプトン過程によって説明可能か。
• RQ2 X線バンド（0.4–1 keV 対 ≥3 keV）におけるスペクトル変動性は、異なる放射成分または物理的プロセスを示唆しているか。
• RQ3 ジェット内の電子対陽子比は何か。ジェットのエネルギー出力は主に陽子か電子か。
• RQ4 PKS 1510-089の全波長スペクトルは、ほこりを含む円盤からの外部赤外線のコンプトン化によって一貫して説明可能か。
• RQ5 約18 keV付近のわずかなスペクトル特徴は、衝撃形成の不均一な領域からのボリューム・コンプトン放射と整合的か。

主な発見

• SuzakuのX線スペクトルは、硬いパワーロウ（Γ ≈ 1.2）に加え、温度 kT ≈ 0.2 keV の黒体成分を組み合わせたモデルで最もよくフィットした。
• 日単位の時間スケールでのスペクトル変動性は、低エネルギー（0.4–1 keV）帯と高エネルギー（≥3 keV）帯で異なる挙動を示し、複数の放射成分が存在することを示唆した。
• Swift XRTの監視により、源が明るくなるにつれてX線スペクトルが硬くなることが判明し、フラックスとスペクトル指数の相関があることが示された。
• 全波長スペクトルエネルギー分布は、r > r_BLR に位置するコンプトン化領域を伴う、ほこりを含む円盤からの赤外線のコンプトン化によって最もよくモデル化された。
• モデル化により、ジェットのエネルギー出力は陽子によって支配されており、電子対陽子数比 Ne/Np ≈ 10 であると示された。
• 軟らかいX線過剰および約18 keV付近の可能性のある特徴は、BLR放射場と相互作用する不均一な領域からのボリューム・コンプトン放射によって説明可能であるが、代替的解釈（例：SSC や内在的軟らかい過剰）も可能性として残っている。