[論文レビュー] Observation of the extremely bright flare of the FSRQ 3C279 with H.E.S.S. II

C. Romoli, M. Zacharias+6 more|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2017

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 7

ひとこと要約

H.E.S.S. IIは、2015年の高赤方偏移FSRQ 3C 279の非常に明るいガンマ線フレアを、非常に高エネルギー（VHE, 66 GeV以上）で、2.2時間のライブ時間において8.7σの有意性で、モノ構成観測により検出した。急勾配のVHEスペクトル（Γ = 4.2 ± 0.3）と多波長データは、発光メカニズムを制限し、陽子およびミューオンの磁気放射によるハドロニクス的状況を支持しており、ローレンツ不変性破れ（LIV）に対する強い制限を与え、モデルに応じて1.7–3.8 × 10¹⁷ GeVの量子重力スケールを制限する。

ABSTRACT

In June 2015, the Flat Spectrum Radio Quasar 3C 279 underwent an extremely bright gamma-ray flare, with an increase of the flux above 100 MeV by a factor 10 in less than 1 day, revealing an intrinsic variability timescale of 2 minutes as detected by the Fermi-LAT. We present results of target of opportunity observations with the H.E.S.S. experiment on this source over the nights around the peak of the outburst. The H.E.S.S. data were analysed with mono and stereo chains. Thanks to the extreme brightness of the source at GeV energies, it was possible to obtain data from Fermi-LAT, strictly simultaneous to the H.E.S.S. observation. Simultaneous and quasi-simultaneous observations at optical and X-ray energies were gathered to reconstruct the multi-wavelength spectrum helping to constrain theoretical models describing the flare. The H.E.S.S. observation during the second night, using H.E.S.S. II MONO data, lead to a clear detection of the source in about 3 hours of live-time. The H.E.S.S. results were also used to derive limits on the Quantum Gravity scale under the assumption of Lorentz Invariance Violation. Furthermore, since FSRQs possess intense optical photon fields surrounding the central region near the black hole, the VHE data allows constraints on the location of the emitting region to be derived in order that internal absorption be avoided. The detection of VHE emission from the powerful flare of the FSRQ 3C 279 by H.E.S.S. II can provide unique insights into the physical properties of this class of blazar, thanks in part to the presence of simultaneous and quasi-simultaneous datasets at other wavelengths. Due to the high redshift of the source (z=0.54), it was also possible to derive strong constraints on the Quantum Gravity mass scale.

研究の動機と目的

• 2015年のGeVフレア期におけるH.E.S.S. IIを用いたFSRQ 3C 279の極端なVHEガンマ線放射を研究すること。
• 銀河間背景光（EBL）吸収および内部光子場吸収を考慮することで、VHE放射領域の位置を制限すること。
• Fermi-LAT、Swift、および光学/X線観測機器による同時多波長データを用いて、ハドロニクス的およびレプチオン的発光モデルを検証すること。
• ローレンツ不変性破れ（LIV）を示すエネルギー依存性の時間遅れを探索することで、量子重力スケールの制限を導出すること。

提案手法

• H.E.S.S. IIは、フレアピーク時にCT5（28 m望遠鏡）のモノトリガーモードを用いて、ターゲット・オブ・オポーチュニティ観測を実施し、100 GeV未満の低いエネルギー閾値を達成した。
• データはモノおよびステレオトリガーチェーンの両方を用いて分析され、妥当性を確保し感度を向上させた。
• 100 MeV以上のFermi-LATデータ（上記）と、ほぼ同時のSwift X線および光学光曲線が用いられ、全波長スペクトルエネルギー分布（SED）が構築された。
• EBL吸収の補正にはFranceschiniら（2008）のモデルが用いられ、固有の源スペクトルが推定された。
• エネルギー依存性の時間遅れを探索するため、尤度に基づく手法が、光子到着時刻における線形および二次の光速度-エネルギー依存性の下でLIV効果を検証するために適用された。
• 内部吸収が、ブラックホール付近の高密度光子場によって回避されるように、最小源距離を仮定することで、放射領域の距離が推定された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 EBL吸収補正後の2015年の3C 279のVHE放射の固有スペクトル形状は何か？
• RQ2 内部光子場吸収の制限を考慮すると、VHE放射領域は中心ブラックホールからどのくらいの距離に位置しているか？
• RQ3 同時に測定された多波長SED（GeVからTeVエネルギー領域をカバー）を最もよく説明する発光モデルは、レプチオン的かハドロニクス的か？
• RQ4 観測されたVHE放射およびその時間的変化を用いて、ローレンツ不変性破れおよび量子重力スケールの制限を設定できるか？

主な発見

• H.E.S.S.は、66 GeV以上で2.2時間のライブ時間において8.7σの有意性で3C 279を検出し、フレア期における源の極めて明るさを確認した。
• 固有のVHEスペクトルは、ガンマ線指数Γ = 4.2 ± 0.3のパワーロウに最もよく適合し、急勾配スペクトルであることを示した。
• EBL吸収補正後、Fermi-LATとH.E.S.S.の共同SEDは、高エネルギーピークがフレアを支配しており、低エネルギーのシンクロtronピークにほとんど変動がないことを示した。
• 内部吸収を回避するため、放射領域は中心エンジンから少なくとも10¹⁷ cmの距離に位置している必要がある。
• GeVエネルギー領域での陽子シンクロtron放射とTeVエネルギー領域でのミューオンシンクロtron放射を伴うハドロニクス的モデルは、多波長データをうまく説明できるが、レプチオン的モデルではVHEフラックスを再現できない。
• 顕著なエネルギー依存性の時間遅れは観測されず、95%信頼区間での量子重力スケールの制限は、線形（亜光速）で1.7 × 10¹⁷ GeV、線形（超光速）で3.8 × 10¹⁷ GeVとなり、以前のGRBおよびAGNの結果と整合的である。