[論文レビュー] Polarized Blazar X-rays imply particle acceleration in shocks

Ioannis Liodakis, Alan P. Marscher+126 more|arXiv (Cornell University)|Sep 13, 2022

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、IXPE衛星を用いてブラークホールであるMrk 501のX線放射における最初の偏光測定が行われ、2回の観測で固有の偏光度がそれぞれ4±1%および5±1%であることが明らかになった。結果は、相対論的シャワーにおける粒子加速がX線放射を引き起こしていることを示しており、ブラークホールジェットにおけるシャワー加速の直接的証拠を提供する。

ABSTRACT

Most of the light from blazars, active galactic nuclei with jets of magnetized plasma that point nearly along the line of sight, is produced by high-energy particles, up to $\sim 1$ TeV. Although the jets are known to be ultimately powered by a supermassive black hole, how the particles are accelerated to such high energies has been an unanswered question. The process must be related to the magnetic field, which can be probed by observations of the polarization of light from the jets. Measurements of the radio to optical polarization - the only range available until now - probe extended regions of the jet containing particles that left the acceleration site days to years earlier (Jorstad et al., 2005; Marin et al., 2018; Blinov et al., 2021), and hence do not directly explore the acceleration mechanism, as could X-ray measurements. Here we report the detection of X-ray polarization from the blazar Markarian~501 (Mrk~501). We measure an X-ray linear polarization degree $Π_X \sim10\%$, a factor of $\sim2$ higher than the value at optical wavelengths, with a polarization angle parallel to the radio jet. This points to a shock front as the source of particle acceleration, and also implies that the plasma becomes increasingly turbulent with distance from the shock.

研究の動機と目的

• イメージングX線偏光探査機（IXPE）を用いて、ブラークホールMrk 501の固有X線偏光度を測定すること。
• 偏光特性を分析することで、ブラークホールにおけるX線放射の物理的起源を調査すること。
• シャワー加速メカニズムが観測されたX線偏光およびスペクトル曲率を説明できるかどうかを検証すること。
• 電波からX線帯域にわたり、偏光および放射束の変動をマルチバンドで比較し、放射メカニズムを制約すること。
• 観測されたX線偏光がシャワー加速に起因するか、あるいは磁気再結合のような代替メカニズムに起因するかを特定すること。

提案手法

• IXPEによるX線偏光、Swift/XRTによるX線放射束およびスペクトル、NuSTARによる高エネルギーX線カバレッジを用いた同時マルチバンド観測を実施した。
• 標準的なXSPECフィッティング手順を用いて、吸収された対数放物線型およびパワー則モデルを用いて、全X線放射束およびスペクトルエネルギー分布を測定した。
• バックグラウンドをブランクスカイ観測と、ソース固有の円形領域（Swiftでは47''、NuSTARでは49''）を用いて抽出した。
• アーカイブ光学データを用いて、宿主銀河の寄与を補正することで、固有の偏光度を計算した。
• 0.3–79 keV範囲のX線スペクトルを、吸収された対数放物線型モデルでフィットした：$N(E) = (E/E_p)^{(-\alpha - \beta\log(E/E_p))}$、$E_p = 5$ keV。
• スペクトル曲率の有無を確認し、最良のフィットパラメータを特定するために、対数放物線型モデルと単一パワー則モデルのフィット品質を比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Mrk 501の固有X線偏光度は何か？また、これはシャワー加速メカニズムを支持するか？
• RQ2 IXPEが観測したX線偏光およびスペクトル曲率は、シャワー加速モデルの予測とどのように一致するか？
• RQ3 観測されたX線偏光は、シャワー加速された電子集団によるシンチレート放射の主な寄与に起因していると一致するか？
• RQ4 X線および光学帯域における長期アーカイブ行動と比較して、Mrk 501のX線放射束および偏光状態はどのように異なるか？
• RQ5 電磁スペクトル全域における偏光度および偏光角の変動は、シャワー支配の放射モデルで説明可能か？

主な発見

• 8–10月の観測期間中、固有X線偏光度の中央値は$\Pi_{\rm intr} = 4 \pm 1\%$であった。
• 26–28月の観測期間中、固有偏光度は$\Pi_{\rm intr} = 5 \pm 1\%$に上昇した。
• 8–10月の観測では、スペクトル曲率が顕著であることを示唆する、吸収された対数放物線型モデルで$\alpha = 2.27 \pm 0.01$および$\beta = 0.28 \pm 0.01$が最良フィットとなった。
• 単一パワー則モデルは、対数放物線型モデル（$\chi^2/\mathrm{dof} = 862/850$）と比較して著しく悪いフィット（$\chi^2/\mathrm{dof} = 2005/851$）を示し、スペクトル曲率の存在が確認された。
• 初回IXPE観測では、2–8 keVのX線放射束が$(10.0 \pm 0.5) \times 10^{-11}~{}\mathrm{erg/s/cm^2}$であったが、有意な変動は検出されなかった。
• 2回目の観測では、X線放射束が$(21.0 \pm 0.6) \times 10^{-11}~{}\mathrm{erg/s/cm^2}$に増加し、観測期間中にカウントレートが17%上昇した。