[論文レビュー] Using the SED to locate the Gamma-ray emission site of powerful blazars

Markos Georganopoulos, Eileen T. Meyer+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 28, 2012

Gyrotron and Vacuum Electronics Research被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、外部の種光子エネルギーとエネルギー密度とを関連させることで、強力なブラザラーにおけるγ線放射の発生位置をスペクトルエネルギー分布（SED）に基づく診断手法によって特定することを提案する。この手法は、シンクロトロンピーク周波数（νs）、コンプトンピーク周波数（νc）、およびコンプトン優位性（k）を用いて、広帯域線領域（BLR、~10 eV 光子）と分子トーラス（MT、~0.1 eV 光子）の間で放射源を区別する。予備的な結果では、高光度 FSRQ において種因子（SF）が MT 範囲とより一致しており、γ線放射がおそらく pc スケールの距離で発生している可能性を示唆している。

ABSTRACT

The location of the Gamma-ray emission of powerful blazars is a matter of active debate. Is the location within the UV emitting sub-pc scale broad line region, or farther out at pc scales where the molecular torus IR emission dominates? We present a diagnostic that connects three observables, the synchrotron and external Compton peak frequencies and the Compton dominance (the ratio of Compton to synchrotron luminosity) to the seed photon energy and energy density. We discuss encouraging preliminary results and discuss how to use our diagnostic to understand the location of the Gamma-ray emission as a function of source power through the use of multiwavelength observations.

研究の動機と目的

• 強力なブラザラーにおけるγ線放射が、sub-pc スケールの広帯域線領域（BLR）に起因するのか、それともほこりを含む分子トーラス（MT）が支配する pc スケールの距離に起因するのかという議論を解決すること。
• 多波長 SED 観測量—シンクロトロンピーク周波数（νs）、コンプトンピーク周波数（νc）、およびコンプトン優位性（k）—に基づく診断ツールを開発し、放射源の位置を制限すること。
• 観測された SED パラメータが、BLR（~10 eV）の種光子か MT（~0.1 eV）の種光子かのどちらにより一致するかを、種因子（SF）を判別基準としてテストすること。
• WISE、Planck、Swift、BAT、Fermi-LAT からのアーカイブデータも含めた同時多波長データを用いた改善された SED モデリングにより、放射源位置の特定精度を向上させること。
• BLR および MT の半径方向の分層構造が予想される種因子（SF）の範囲に与える影響を評価し、診断の予測能力を強化すること。

提案手法

• 診断法は、SF = (U₀/ϵ₀)¹ᐟ² で定義される種因子（SF）を用いる。ここで、U₀ は外部種光子の共動エネルギー密度、ϵ₀ は種光子場の特徴的エネルギーである。
• この手法は、観測された SED パラメータ（νs：シンクロトロンピーク周波数、νc：コンプトンピーク周波数、k：コンプトン優位性）から SF を導出する。関係式 ϵs = (B/Bcr)γb²δ および ϵc = (4/3)ϵ₀γb²δ² を用いる。
• 逆コンプトン散乱がトムソン領域にある条件（ϵ₀γbδ ≲ 1）を適用し、これは ϵc ≲ ϵ₀⁻¹ に相当する。これにより、導出された SF の有効性が保証される。
• 診断法は、BLR（U₀ ≈ 0.29–2.6×10⁻² erg cm⁻³、ϵ₀ ≈ 10⁻⁴）と MT（U₀ ≈ 0.5–2.2×10⁻³ erg cm⁻³、ϵ₀ ≈ 10⁻⁴）の理論的範囲と比較する。BLR では SF 値が約 10–100、MT では約 100–1000 と予想される。
• 変動制約を組み込み、観測された変動 timescale（tvar）とシンクロトロン放射度（Ls）を用いて、ボリュームローレンツ因子（Γ）を推定し、相対論的ジェット力学と整合性を保つ。
• 誤差を最小限に抑えるために、同時多波長 SED を用い、特に νc に大きな不確実性（最大で約 10 倍）があるため、νs および νc の推定値の誤差を軽減する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強力なブラザラーにおけるγ線放射は、sub-pc スケールの広帯域線領域（BLR）で発生するのか、それともほこりを含む分子トーラス（MT）が支配する pc スケールの距離で発生するのか？
• RQ2 スペクトルエネルギー分布（SED）パラメータ—シンクロトロンピーク周波数（νs）、コンプトンピーク周波数（νc）、およびコンプトン優位性（k）—を用いて、BLR と MT の種光子場を区別できるか？
• RQ3 BLR および MT 環境における種因子（SF = (U₀/ϵ₀)¹ᐟ²）の予想される範囲は何か？観測された SF 値はその範囲とどのように一致するか？
• RQ4 変動 timescale およびジェットのボリュームローレンツ因子（Γ）は、SED 診断の適用可能性にどのように制限を加えるか？
• RQ5 BLR および MT の半径方向の分層構造は、予測される SF 範囲および診断の信頼性にどの程度影響を与えるか？

主な発見

• 2FGL および BAT サンプルからの予備結果では、高光度 FSRQ における k ~ 数個、νs ~ 10¹³ Hz、νc ~ 10²² Hz の平均値は、種因子（SF）が広帯域線領域（BLR）の予想範囲よりも分子トーラス（MT）の範囲に近い値を示しており、γ線放射が MT 範囲の距離で発生している可能性を示唆している。
• FSRQ の観測された SF 範囲は、BLR および MT の理論的 SF バンドの中央部と重複しており、実際の SF 範囲は現在の推定値よりも狭い可能性がある。これは、νc の不確実性に起因すると考えられる。
• 赤方偏移 z > 2 の源では、全逆コンプトン（IC）放射力と種因子（SF）の間に明確な相関が観測され、高エネルギー領域で BLR 的な値から MT 的な値へとシフトしており、pc スケールの放射を支持する。
• この診断法は、ボリュームローレンツ因子 Γ > 10 の源に対して最も有効であり、Γ が低い場合、シンクロトロン自己コンプトン（SSC）支配が優勢になるため、適用範囲が制限される可能性がある。
• この手法は放射源の特定に有望であるが、系統的誤差を低減するためには、高品質で同時多波長の SED と、改善された νc の推定値が必要である。
• 今後の作業として、WISE、Planck、Swift、BAT、Fermi-LAT からのアーカイブデータを用いた包括的な SED を用いることで、サンプルの拡大と SF 範囲の精緻化が期待され、診断の予測能力が向上する。