[論文レビュー] Rapid Variability of Gamma-ray Emission from Sites near the 43 GHz Cores of Blazar Jets

Alan P. Marscher, S. G. Jorstad|arXiv (Cornell University)|May 30, 2010

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 3被引用数 21

ひとこと要約

本稿では、43 GHzコアからパーセクスケールの距離に位置するが、高エネルギー電子が周波数に依存する小さな部分領域に閉じ込められる乱流セルモデルを提案する。このモデルにより、コアが中心天体から遠く離れているにもかかわらず、急速なγ線変動が説明可能となる。このモデルは、AO 0235+164における観測された短い変動 timescale（例：Bバンドで約4日）と、活動期におけるスペクトルの平坦化を説明し、ジェットの巨大な物理的サイズと多波長変動を整合させる。

ABSTRACT

Comprehensive VLBI and multi-waveband monitoring indicate that a single superluminal knot can cause a number of gamma-ray flares at different locations. However, the often very rapid variability timescale is a challenge to theoretical models when a given flare (perhaps the majority of those observed) is inferred from observations to lie near the 43 GHz core, parsecs from the central engine. We present some relevant observational results, using the BL Lac object AO 0235+164 as an example. We propose a turbulent cell model leading to a frequency-dependent filling factor of the emission region. This feature of the model can provide a solution to the timescale dilemma and other characteristics of blazar emission.

研究の動機と目的

• 観測された急速なγ線変動（数時間）と、パーセクスケール領域からの放射の最小時間スケール（約1週間）との間の矛盾を解消すること。
• 43 GHzコアにおける超光速クルーズの放出とγ線フレアの観測的一致を、コアが電波放射に対して不透明であるにもかかわらず説明すること。
• 周波数依存の変動スケール、フレア期におけるスペクトルの平坦化、および周波数に伴う偏光の増加を説明すること。
• 高周波数では高エネルギー電子の体積率が低くなる物理的に妥当なモデルを構築し、中心天体付近での放射を必要としない短いスケールを実現すること。

提案手法

• 電子密度と磁場が異なる乱流セルの系列としてジェットをモデル化し、高周波数で発光するのはセルの一部に限ること。
• 高エネルギー放射の体積率V(ν)が周波数の増加とともに減少すると仮定し、これにより高周波数で短い変動スケールが生じることを示す。
• AO 0235+164における観測されたtvar ∝ ν^−0.16のスケーリングを用いて、V(ν) ∝ ν^−0.32を推定し、N(ν)セルにおける確率的揺らぎと整合することを確認する。
• 放射の変動を発光セル数の逆平方根と関係づける：⟨ΔF/F⟩ ∝ N(ν)^−1/2。
• VLBA 43 GHz画像と多波長光曲線を用いて、超光速クルーズのサイズと運動を制約し、フレアと一致する位置関係を特定する。
• Burn (1966)およびJones (1988)のモデルを適用し、セル数と磁場の配置に基づいて周波数依存の偏光レベルを予測する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 相対論的ビーム効果とドップラー補正を考慮しても、43 GHzコア付近のパーセクスケール領域からの放射が、急速なγ線変動（例：約4日スケール）を説明できるか？
• RQ2 コアが電波に対して不透明であるにもかかわらず、なぜ光学およびγ線フレアが43 GHzコア通過時の超光速クルーズとしばしば一致するのか？
• RQ3 観測された周波数依存の変動スケール（tvar ∝ ν^−0.16）を、放射領域の物理的サイズとどのように整合させられるか？
• RQ4 フレア期にスペクトルが平坦化する現象と、高周波数で高い偏光を維持する物理的メカニズムは何か？
• RQ5 発光電子の体積率が周波数に依存するモデルが、観測された多波長光曲線および偏光行動を説明できるか？

主な発見

• AO 0235+164のBバンドにおける観測された約4日間の変動スケールは、物理的サイズが約0.2 pcで、ドーピラー要因δ ≈ 70であるとすると、10^13 Hzにおけるスケールは約3日と整合する。
• 周波数依存性tvar ∝ ν^−0.16は、体積率V(ν) ∝ ν^−0.32を示しており、高周波数ではセルの一部しか発光しないことを示唆する。
• 80日間のγ線フレア期におけるスペクトル平坦化（α ≈ 1.01から1.34にΔα = 0.32変化）は、少数の高密度セルからの強化発光を予測するモデルと一致する。
• 偏光の振幅と平均度が周波数に伴い増加する現象は、高周波数で少数のより一貫性のある発光セルが存在するというモデルの予測により自然に説明できる。
• このモデルにより、γ線フレア、光学フレア、超光速クルーズの通過が、中心天体からパーセク距離離れた場所で発生しているという観測的事実を整合させることができ、中心天体付近での放射を仮定する必要がなくなる。
• モデルは、シンクロtronスペクトルの幾何的ブレークが逆コンプトンスペクトルに現れることを予測しており、将来的なシミュレーションで検証されるべき特徴である。