[論文レビュー] The $γ$-ray sky seen at X-ray energies I. Searching for the connection between X-rays and $γ$-rays in Fermi BL Lac objects

E. J. Marchesini, A. Paggi+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 6, 2020

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 131被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、351個の源について2400 ksのSwift/XRTデータとFermi-LATデータを組み合わせ、Fermi BL Lac対象におけるX線とγ線放射の関係を調査した。X線とγ線の放射度やスペクトル形状の間には直接相関は見られなかったが、X線放射度と中赤外色の間に顕著な相関が確認され、これらのブルーラックではジェット放射とダスト再放射の関連が示唆された。

ABSTRACT

BL Lac objects are an extreme type of active galactic nuclei (AGNs) that belong to the largest population of $γ$-ray sources: blazars. This class of AGNs shows a double-bumped spectral energy distribution that is commonly described in terms of a synchrotron self-Compton (SSC) emission process, whereas the low-energy component that dominates their emission between the infrared and the X-ray band is tightly connected to the high-energy component that peaks in the $γ$-rays. Two strong connections that link radio and mid-infrared emission of blazars to the emission in the $γ$-ray band are well established. They constitute the basis for associating $γ$-ray sources with their low-energy counterparts. We searched for a possible link between X-ray and $γ$-ray emissions for the subclass of BL Lacs using all archival Swift/XRT observations combined with Fermi data for a selected sample of 351 sources. Analyzing $\sim$2400 ks of Swift/XRT observations that were carried out until December 2018, we discovered that above the $γ$-ray flux threshold $F_γ\approx3 imes10^{-12}\, m{erg}\, m{cm}^{-2}\, m{s}^{-1}$, 96\% of all \emph{Fermi} BL Lacs have an X-ray counterpart that is detected with signal-to-noise ratio higher than 3. We did not find any correlation or clear trend between X-ray and $γ$-ray fluxes and/or spectral shapes, but we discovered a correlation between the X-ray flux and the mid-infrared color. Finally, we discuss on a possible interpretation of our results in the SSC framework.

研究の動機と目的

• Fermi BL Lac対象におけるX線とγ線放射の間の物理的関連を調査すること。これは、γ線源の主要クラスである。
• 同じジェット起源を持つにもかかわらず、X線放射がγ線放射の信頼できる代理指標として機能するかどうかを検証すること。
• X線放射度と中赤外色の相関を検討することで、ジェット-ダスト相互作用の役割を調査すること。
• 同期放射自己コンプトン（SSC）フレームワーク内での観測された相関の意味を、BL Lacのスペクトルエネルギー分布に照らして評価すること。
• 赤方偏移およびブラックホール質量が、HBLとLBLの異なるBL Lac亜群における全放射度と放射特性に与える影響を評価すること。

提案手法

• 351個のFermi BL Lac対象について2400 ksのSwift/XRT観測データを系統的に分析し、X線放射度とスペクトルの硬さに注目した。
• X線データをFermi-LAT γ線源カタログ（3FGL）と照合し、放射度閾値3×10⁻¹² erg cm⁻² s⁻¹以上の対応源を同定した。
• AllWISE調査からの中赤外光度測定値を用い、相関解析のための[4.6]–[12] μm色インデックスを計算した。
• 0.5–10 keVエネルギー範囲におけるX線硬さ比（HR_X）を計算し、高エネルギー（HBL）と低エネルギー（LBL）BL Lac亜群間でのスペクトル変動と形状の違いを評価した。
• 赤方偏移が分かっている77個の標本に対して全放射度とブラックホール質量を計算し、HBLとLBLの対照をとった。
• 観測された相関の有意性を検証するために統計的検定（p < 1×10⁻⁷）を適用し、特にX線放射度と中赤外色の相関に注目した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Fermi BL Lac対象において、X線とγ線の放射度の間に顕著な相関があるか？
• RQ2 同じ源において、X線スペクトル形状とγ線スペクトル特性の間に相関があるか？
• RQ3 BL Lac対象において、X線放射と中赤外色との間に測定可能な関連があるか？
• RQ4 高エネルギー（HBL）と低エネルギー（LBL）BL Lac亜群の間で、X線およびγ線の性質にどのような違いがあるか？
• RQ5 全放射度とブラックホール質量の分布は、HBLとLBL源における降着状態にどのような示唆をもたらすか？

主な発見

• γ線放射度が3×10⁻¹² erg cm⁻² s⁻¹を超えるFermi BL Lac対象の96％が、SN比3以上の検出可能なX線対応源を有しており、両バンド間の強い観測的関連が裏付けられた。
• X線放射度とγ線放射度の間、およびX線とγ線のスペクトル形状の間には有意な相関が確認されず、SSCモデルにおいてX線放射が直接的にγ線放射を追跡していないことが示された。
• X線放射度と中赤外[4.6]–[12] μm色の間に顕著な相関（p < 1×10⁻⁷）が確認され、X線が明るいBL Lac対象は中赤外で青くなる傾向にあり、ジェット-ダスト相互作用または再放射の可能性を示唆した。
• HBLはX線スペクトルがより硬く、全放射度でもLBDよりも弱く、一般にBZ限界以下に位置しているが、一部のLBLはそれを超えており、より高い降着率を示唆している。
• 赤方偏移が分かっている標本において、LBLはより高い全放射度と、BZ限界を超えるブラックホール質量の頻度を示しており、継続的な降着が進行中であると考えられる。一方、HBLはより進化した低降着状態にある可能性がある。
• X線硬さ比は中赤外色と傾向を示し、ジェット放射とダスト再放射の関連をさらに支持するが、直接的にγ線出力とは関連しない。