[論文レビュー] Testing the inverse-Compton catastrophe scenario in the intra-day variable blazar S5 0716+71. I. Simultaneous broadband observations during November 2003

L. Ostorero, S. J. Wagner+7 more|ArXiv.org|Feb 10, 2006

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 75被引用数 40

ひとこと要約

本研究は、2003年11月に実施された電波からX線/γ線にわたる同時広帯域観測を用いて、S5 0716+71という日間変動性を持つブラーざにおける逆・コンプトン（IC）災害シナリオを検証した。32–37 GHzで過剰な明るさ温度（>10¹² K）が検出されたが、INTEGRALはソフトγ線放射を検出しなかった。これは、IC限界の違反が真の物理的違反ではなく、宇宙間散乱（ISS）に起因する見かけのものである可能性を示唆し、ブラーざにおけるコンプトン災害のモデルを制限する。

ABSTRACT

Some intra-day variable, compact extra-galactic radio sources show brightness temperatures severely exceeding 10^{12} K, the limit set by catastrophic inverse-Compton (IC) cooling in sources of incoherent synchrotron radiation. The violation of the IC limit, possible under non-stationary conditions, would lead to IC avalanches in the soft-gamma-ray energy band during transient periods. For the first time, broadband signatures of possible IC catastrophes were searched for in S5 0716+71. A multifrequency observing campaign targetting S5 0716+71 was carried out in November 2003 under the framework of the European Network for the Investigation of Galactic nuclei through Multifrequency Analysis (ENIGMA) together with a campaign by the Whole Earth Blazar Telescope (WEBT), involving a pointing by the soft-gamma-ray satellite INTEGRAL, optical, near-infrared, sub-millimeter, millimeter, radio, and Very Long Baseline Array (VLBA) monitoring. S5 0716+71 was very bright at radio frequencies and in a rather faint optical state during the INTEGRAL pointing; significant inter-day and low intra-day variability was recorded in the radio regime, while typical fast variability features were observed in the optical band. No correlation was found between the radio and optical emission. The source was not detected by INTEGRAL, neither by the X-ray monitor JEM-X nor by the gamma-ray imager ISGRI, but upper limits to the source emission in the 3-200 keV energy band were estimated. A brightness temperature Tb>2.1x10^{14} K was inferred from the radio variability, but no corresponding signatures of IC avalanches were recorded at higher energies. The absence of IC-catastrophe signatures provides either a lower limit delta>8 to the Doppler factor affecting the radio emission or strong constraints for modelling of the Compton catastrophes in S5 0716+71.

研究の動機と目的

• S5 0716+71で観測された日間変動（IDV）が、逆・コンプトン（IC）明るさ温度限界の真の違反と整合するかを検証すること。
• 電波変動から推定される極めて高い明るさ温度（>10¹² K）が、本質的であるか、それとも宇宙間散乱（ISS）に起因する見かけのものであるかを特定すること。
• 観測された変動を説明する要因として、内因性のシンクロtron自己コンプトン（SSC）放射と外部要因（例：ISS）の役割を評価すること。
• 電波、ミリ波、光学、X線/γ線帯域にわたる同時多帯域データを統合し、SSC放射モデルを制限すること。
• INTEGRALによるソフトγ線帯域での検出不能が、この源における真のIC災害シナリオを排除するかを評価すること。

提案手法

• 2003年11月6日から20日まで、S5 0716+71に対して同時多周波数キャンペーンを実施。INTEGRALを用いてソフトγ線観測を実施。
• 電波（VLBA、86 GHz；32–37 GHz）、ミリ波（IRAM）、ミリ波、光学（WEBT、ULTRACAM）、近赤外、X線機器からのデータを統合。
• 変動時標と輝度密度の変化を用いて明るさ温度を推定し、IC限界（T_b > 10¹² K）の違反を検証。
• スペクトル指数と電波帯と光学帯の間の変動相関を分析し、内因性と外因性の変動メカニズムを区別。
• 特に32–37 GHzおよび86 GHz帯で、見かけの明るさ温度の過剰が宇宙間散乱（ISS）に起因する可能性を検討。
• 観測された変動をSSCモデルの予測と比較し、INTEGRALのソフトγ線帯域での非検出と整合性を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 S5 0716+71の32–37 GHz帯で観測された明るさ温度が、真に逆・コンプトン限界を超えており、物理的IC災害を示唆するか？
• RQ2 INTEGRALによるソフトγ線帯域での非検出が、真のIC災害シナリオを排除するか？
• RQ3 宇宙間散乱（ISS）が観測された電波変動および見かけの明るさ温度過剰を説明できるか？
• RQ4 電波と光学の日間変動は相関しているか？これにより、放射領域のサイズと位置に何が示唆されるか？
• RQ5 同時広帯域観測が、S5 0716+71におけるシンクロtron自己コンプトン（SSC）放射モデルにどのような制限を課えるか？

主な発見

• 源は電波周波数帯で顕著な日間および日間変動を示し、32–37 GHz帯で10¹² Kを超える明るさ温度を示した。
• 高明るさ温度が観測されたにもかかわらず、INTEGRALによるソフトγ線放射は検出されなかった。
• キャンペーン中、光学と電波の変動に相関が認められなかったため、電波と光学の放射が非共通領域から来ているか、あるいは異なるメカニズムに影響を受けている可能性がある。
• 宇宙間散乱（ISS）は86 GHz帯で主要因である可能性が低く、32–37 GHz帯でも効率が悪いことから、この周波数帯での観測変動を説明する弱い要因である。
• γ線放射の非検出は、真のIC災害を排除するものであり、明るさ温度の違反は見かけのものであり、ISSや他の伝搬効果によって駆動されている可能性が高いことを示唆する。
• 同時多帯域データはSSCモデルを制限し、観測された電波変動が高ドーナセル係数（δ ≥ 8）を伴う内因性のものであるか、外部効果（例：ISS）によって支配されている可能性を示唆している。