[論文レビュー] Optical variability of the BL Lacertae object GC 0109+224. Multiband behaviour and time scales from a 7-years monitoring campaign

S. Ciprini, G. Tosti+5 more|ArXiv.org|Jan 16, 2003

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 61被引用数 45

ひとこと要約

本研究では、$BVR_cI_c$ 光度測定を用いた7年間の光学的モニタリングキャンペーンを通じて、BL Lac対象GC 0109+224の強烈で急速な変動を明らかにした。6つの主要なフレアと、スペクトル指数-フラックス図におけるヒステリシスループから生じる非熱的冷却の証拠が得られた。データは25–40日と1.2–1.9年という特徴的な時標を示し、$1/f^\alpha$ パワースペクトル密度（$1.57 < \alpha < 2.05$）を示しており、相対論的ジェット内における確率的プロセスが支配するフラクタル的で変動しやすい性質を示している。

ABSTRACT

We present the most continuous data base of optical $BVR_{c}I_{c}$ observations ever published on the BL Lacertae object GC 0109+224, collected mainly by the robotic telescope of the Perugia University Observatory in the period November 1994-February 2002. These observations have been complemented by data from the Torino Observatory, collected in the period July 1995-January 1999, and Mt. Maidanak Observatory (December 2000). GC 0109+224 showed rapid optical variations and six major outbursts were observed at the beginning and end of 1996, in fall 1998, at the beginning and at the end of 2000, and at the beginning of 2002. Fast and large-amplitude drops characterized its flux behaviour. The $R_c$ magnitude ranged from 13.3 (16.16 mJy) to 16.46 (0.8 mJy), with a mean value of 14.9 (3.38 mJy). In the periods where we collected multi-filter observations, we analyzed colour and spectral indexes, and the variability patterns during some flares. The long-term behaviour seems approximatively achromatic, but during some isolated outbursts we found evidence of the typical loop-like hysteresis behaviour, suggesting that rapid optical variability is dominated by non-thermal cooling of a single emitting particle population. We performed also a statistical analysis of the data, through the discrete correlation function (DCF), the structure function (SF), and the Lomb-Scargle periodogram, to identify characteristic times scales, from days to months, in the light curves, and to quantify the mode of variability. We also include the reconstruction of the historical light curve and a photometric calibration of comparison stars, to favour further extensive optical monitoring of this interesting blazar.

研究の動機と目的

• 7年間にわたる多波長光度測定を用いて、GC 0109+224の最も連続的な光学光曲線を確立すること。
• 毎日から数年にわたる時間スケールの変動の特徴的な時標を特定すること。
• フレア発生時のスペクトル的・色の挙動を調査し、放射メカニズムを推察すること。
• 長期的変動が色不変であるかどうか、および短期的フレアが「明るいときには平坦になる」傾向を示すかどうかを評価すること。

提案手法

• 1994年11月から2002年2月にかけて、ロボット望遠鏡および専用望遠鏡を用いて1,542回の多波長$BVR_cI_c$ 光度測定を収集した。
• 不規則にサンプリングされた光曲線を解析するため、離散相関関数（DCF）、構造関数（SF）、Lomb-Scargle周期解析を適用した。
• スペクトル指数および色指数を計算し、フレア発生時のスペクトル的進化を研究した。
• 歴史的光曲線の再構築と、一貫性のある比較星の光度校正を実施した。
• $1/f^\alpha$ パワースペクトル密度解析を用いて、変動モードを特徴づけた。
• フレア発生時のスペクトル指数対フラックス図におけるヒステリシスループを特定し、単一の電子集団の非熱的冷却を推察した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 7年間のモニタリング期間中に、GC 0109+224の光学的変動の主な時標は何か？
• RQ2 フレア発生時のスペクトル指数-フラックス関係にヒステリシスが見られ、単一の相対論的電子集団の非熱的冷却を示唆するか？
• RQ3 長期的フラックス変動は色不変であるか？ また、短期的フレアは「明るいときには平坦になる」傾向を示すか？
• RQ4 変動の統計的性質は何か？ また、$1/f^\alpha$ パワースペクトル密度に従うか？
• RQ5 光曲線に周期的または準周期的振動が存在するか？ 他のBL Lacsと比較してどう異なるか？

主な発見

• $R_c$ 等級は13.3（16.16 mJy）から16.46（0.8 mJy）まで変動し、平均は14.9（3.38 mJy）であり、大振幅の変動を示している。
• 主に1996年、1998年、2000年、2002年に6つの主要フレアが検出され、急激なフラックス低下と増加が観測された。
• フレア発生時のスペクトル指数-フラックス平面におけるヒステリシスループは、単一の相対論的電子集団の非熱的冷却を示唆している。
• DCF、SF、周期解析により、25–40日および1.2–1.9年という特徴的な時標が特定された。
• 構造関数は傾き$\beta = 0.73 \pm 0.10$を示し、40日で平坦化が観測され、フラクタル的で変動しやすい性質（フラッタリングからショットノイズに近い）を示している。
• パワースペクトル密度は$1/f^\alpha$ 形式に従い、$1.57 < \alpha < 2.05$であり、ジェット内での確率的緩和プロセスと整合的である。