[論文レビュー] Testing the inverse-Compton catastrophe scenario in the intra-day variable blazar S5 0716+71, III. Rapid and correlated flux density variability from radio to sub-mm bands

L. Fuhrmann, T. P. Krichbaum+23 more|ArXiv.org|Sep 12, 2008

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 69被引用数 72

ひとこと要約

本研究は、S5 0716+71における電波からサブミリ波バンドにわたる急速かつ相関するフラックス密度変動を調査し、日次変動が宇宙線散乱ではなく相対論的ドップラー効果によるものであることが判明した。観測された輝度温度は、逆コンプトン限界（10^12 K）を3–4桁も上回っているが、非検出のINTEGRALハードX線データを含む、複数の手法による一貫したドッパラー要因の推定（δ ≥ 5–33）により、標準的なシンクロtron自己コンプトンモデル内での理論的限界の明らかな違反が相対論的ドップラー効果によって説明可能であることが確認された。

ABSTRACT

The BL Lac object S5 0716+71 was observed in a global multi-frequency campaign to search for rapid and correlated flux density variability and signatures of an inverse-Compton (IC) catastrophe during the states of extreme apparent brightness temperatures. The observing campaign involved simultaneous monitoring at radio to IR/optical wavelengths centered around a 500-ks INTEGRAL pointing (November 10-17, 2003). We present the combined analysis and results of the cm- to sub-mm observations including a detailed study of the inter- to intra-day variability and spectral characteristics of 0716+714. We further constrain the variability brightness temperatures (T_B) and Doppler factors (delta) comparing the radio-bands with the hard X-ray emission (3-200 keV). 0716+714 was in an exceptionally high state (outburst) and different (slower) phase of short-term variability. The flux density variability in the cm- to mm-bands is dominated by a correlated, ~4 day time scale amplitude increase of up to ~35% systematically more pronounced towards shorter wavelengths. This contradicts expectations from standard interstellar scintillation (ISS) and suggests a source-intrinsic origin of the variability. The derived lower limits to T_B exceed the 10^12 K IC-limit by up to 3-4 orders of magnitude. Assuming relativistic boosting, we obtain robust and self-consistent lower limits of delta >= 5-33, in good agreement with delta_VLBI obtained from VLBI studies and the IC-Doppler factors delta_IC > 14-16 obtained from the INTEGRAL data. Since a strong contribution from ISS can be excluded and a simultaneous IC catastrophe was not observed, we conclude that relativistic Doppler boosting naturally explains the apparent violation of the theoretical limits within standard synchrotron-self-Compton (SSC) jet models of AGN.

研究の動機と目的

• S5 0716+71という日次変動を示すブラーざに対して、逆コンプトン崩壊シナリオを検証するため、多波長変動を分析すること。
• 電波からサブミリ波帯にわたる急速なフラックス密度変動が、宇宙間散乱（ISS）に起因するものか、それとも源固有のものかを特定すること。
• 変動に基づく輝度温度を用いてドッパラー要因δを推定し、INTEGRALおよびVLBIデータからの独立した推定値と比較すること。
• キャンペーン中に観測された極めて高い輝度温度が、一部のモデルが予測するような同時逆コンプトン崩壊を示しているかどうかを評価すること。
• cm帯からサブミリ波帯にわたるスペクトルの進化および変動特性を調査し、ジェット放射メカニズムを制約すること。

提案手法

• 2003年11月10日から17日までの500-ksのINTEGRAL指向を中核として、地上ベースの電波・赤外・可視光の同時多波長モニタリングを含むグローバルな多波長キャンペーンを実施した。
• 日次光度曲線と相互相関関数（CCF）を用いて、cm帯からサブミリ波帯（60 mmから90 GHz）にわたる変動を分析し、バンド間の時間遅れを測定した。
• 変動に基づく顕在輝度温度（TB）を計算し、10^12 Kの逆コンプトン限界の違反を検証した。
• 変動に基づく手法（δ_var,ICおよびδ_var,eq）、エネルギー等分配モデル（δ_eq）、およびINTEGRALによるハードX線放射の上限（δ_IC）を用いてドッパラー要因（δ）を推定した。
• スペクトルフィッティングを用いて、時間経過に伴うシンクロtronピーク周波数（ν_m ≈ 86 GHz）およびフラックス密度の変化を追跡した。
• 変動の周波数依存性および時間遅れの解析により、弱い散乱モデルと整合しないことから、宇宙間散乱（ISS）が主要因でないことを除外した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 S5 0716+71で観測された日次変動は、源固有のものか、それとも宇宙間散乱に起因するか？
• RQ2 観測された輝度温度は理論的10^12 Kの逆コンプトン限界を超えており、もしそうであれば、相対論的ドッパラー効果がその違反を説明できるか？
• RQ3 変動、エネルギー等分配、およびINTEGRALデータから得られたドッパラー要因の推定値は、互いに一貫しているか？
• RQ4 INTEGRALによる3–200 keVバンドでの非検出は、キャンペーン中に強い逆コンプトン崩壊が同時に発生していた可能性を排除するか？
• RQ5 電波からサブミリ波帯へのスペクトルの進化は、シンクロtron自己吸収およびジェット成分のダイナミクスの変化をどのように反映しているか？

主な発見

• cm帯からmm帯のフラックス密度変動は、最大35％に達する4日間のほぼ単調な振幅増加に支配されており、変動の振幅は周波数が高くなるにつれて増加した。
• 相互相関解析により、高周波数帯が先に変動し、より長い時標本での標準的変動と整合する系の時間遅れが得られた。
• 周波数依存の変動振幅および短波長帯での先行的挙動は、弱い宇宙間散乱が主要メカニズムである可能性を除外する。
• 観測スペクトルは顕著に逆スペクトル的であり、ピークは約90 GHzにあり、最初の5日間にわたりピークフラックスが連続的に増加した。
• 日次変動に基づく顕在輝度温度は、サブミリ波帯でも10^12 Kの逆コンプトン限界を3–4桁も上回った。
• ドッパラー要因δに対する強固で一貫した下限値が得られた：δ_var,IC > 5、δ_var,eq > 8、δ_eq > 12、およびINTEGRALの上限から得たδ_IC > 14–16であり、すべてVLBIで得られたδ_VLBIと良好に一致した。
• INTEGRALによる3–200 keVバンドでの非検出は、キャンペーン中に強い逆コンプトン崩壊が同時に発生していた可能性を排除した。
• 複数の独立した手法から得られたドッパラー要因推定値の整合性は、相対論的ドッパラー効果が顕在的なIC輝度温度限界違反を自然に説明できることを確認した。