[論文レビュー] On the Spectral Break in the Fermi-LAT Spectrum of 3C 454.3

Justin D. Finke, C. D. Dermer|arXiv (Cornell University)|Apr 8, 2010

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 25被引用数 51

ひとこと要約

本稿では、3C 454.3のFermi-LATスペクトルに観測されたスペクトルブレーク（約2.4 GeVで、指数の急激な変化ΔΓ ≈ 1.2を示す）が、相対論的ジェット内の相対論的電子による降着円盤および幅広線領域（BLR）放射のコンプトン散乱によって引き起こされるものだと提案している。この二重成分コンプトンモデルは、破れた電子分布や外部吸収を必要とせず、準同時的な多波長SEDデータをよく適合させ、BLRが風的構造であることを支持するρ ∝ R⁻²の密度プロファイルを示している。

ABSTRACT

Fermi Gamma ray Space Telescope observations of the flat spectrum radio quasar 3C~454.3 show a spectral-index change $ΔΓ\cong 1.2\pm 0.3$ at break energy $E_{br} \approx 2.4\pm0.3$ GeV. Such a sharp break is inconsistent with a cooling electron distribution and is poorly fit with a synchrotron self-Compton model. We show that a combination of two components, namely the Compton-scattered disk and broad-line region (BLR) radiations, explains this spectral break and gives a good fit to the quasi-simultaneous radio, optical/UV, X-ray, and $γ$-ray spectral energy distribution observed in 2008 August. A sharp break can be produced independent of the emitting region's distance from the central black hole if the BLR has a gradient in density $\propto R^{-2}$, consistent with a wind model for the BLR.

研究の動機と目的

• 標準的なレプトン的モデルでは説明できない、3C 454.3のFermi-LATスペクトルにおける約2.4 GeVの鋭いスペクトルブレークを説明すること。
• 特に降着円盤およびBLRからの種光子を複数のコンプトン散乱源として扱った場合、観測された指数の変化ΔΓ ≈ 1.2を再現できるかどうかを検証すること。
• 平坦スペクトル電波クェーサーにおける放射領域の位置とBLRの構造に与える影響を明らかにすること。
• 標準的なSSCモデルで予測される2次関数的変動の欠如を説明できるかどうか、このモデルの妥当性を評価すること。

提案手法

• 相対論的ジェット内に存在する破れたパワーロー分布電子による、降着円盤およびBLRからの種光子の逆コンプトン散乱としてγ線放射をモデル化する。
• 二重成分コンプトン散乱モデルを用い、円盤とBLRが合計コンプトン放射度に寄与するものとし、BLRの半径方向密度プロファイルを風モデルに一致するρ ∝ R⁻²と仮定する。
• Fermi-LAT、Swift、地上望遠鏡SMARTSのデータを含む、電波からGeV帯γ線までの同時多波長SEDにモデルを適合させる。
• 異なる波長帯で放射を生成する電子の冷却 timescale を計算し、特に強いX線変動が観測されない理由を含め、変動の一貫性を評価する。
• エネルギーに依存するコンプトン断面積とクライン=ニシナ効果を正確に反映させるために、完全なエネルギー依存のコンプトン断面積を適用する。
• 赤方偏移z = 0.859および宇宙論的パラメータ（H₀ = 71 km s⁻¹ Mpc⁻¹、Ωₘ = 0.27、ΩΛ = 0.73）を用いて、距離のルミノシティを計算し、宇宙論的効果を補正する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 降着円盤およびBLR光子のコンプトン散乱の組み合わせが、3C 454.3のFermi-LATスペクトルにおける観測されたスペクトルブレークを説明できるか？
• RQ2 二重成分コンプトンモデルが、破れた電子分布を必要とせずに、観測されたスペクトル指数（ブレーク以下でΓ ≈ 2.3、以上でΓ ≈ 3.5）を再現できるか？
• RQ3 このモデルが、中心ブラックホールおよびBLRからの放射領域の位置にどのような制約を課すか？
• RQ4 同じ電子集団によって生成されるにもかかわらず、X線放射がγ線および可視光の変動と強く相関しないのはなぜか？
• RQ5 標準的な自己シンクロtron自己コンプトン（SSC）シナリオで予測される2次関数的変動の欠如を、このモデルが説明できるか？

主な発見

• 二重成分コンプトンモデル（円盤およびBLR光子の両方の散乱）は、E_br ≈ 2.4 GeVで観測されたスペクトルブレーク（ΔΓ ≈ 1.2）をうまく再現した。
• モデルは、電波、可視光/UV、X線、γ線帯域にわたる準同時SEDをよく適合させ、観測された放射度レベルとスペクトル指数を再現した。
• BLRは半径方向密度プロファイルρ ∝ R⁻²であると制約され、これは風モデルと一致しており、放射領域の中心ブラックホールからの距離に依存しない鋭いスペクトルブレークを可能にする。
• X線を生成する電子の冷却timescaleは、観測された変動timescaleよりも長く、可視光およびγ線のフラックス変動と相関するにもかかわらず、X線変動が強くないことを説明できる。
• 標準的なシンクロtron自己コンプトンおよび単一成分外部コンプトンモデルは、不一致なスペクトル指数と変動パターンのため、本モデルでは除外された。
• γ線放射領域は中心ブラックホールから約0.1 pc以内に位置しており、これはBLR内に位置すると考えられ、FSRQにおける風的BLR構造を支持する。