[論文レビュー] Very High Energy Gamma-ray spectral properties of Mrk 501 from CAT Cerenkov telescope observations in 1997

A. Djannati-Ataı̈, F. Piron+32 more|arXiv (Cornell University)|Jun 3, 1999

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、1997年の爆発的活動期中にCAT Cherenkov望遠鏡を用いてBL Lac対象Mrk 501の非常に高エネルギー（VHE）ガンマ線スペクトル測定を提示している。観測されたスペクトルは顕著な曲率を示し、ピークエネルギーが500 GeVから1 TeVの間にあるロジスティック放物線モデルでよく記述されており、フラーレの際のスペクトル硬化を示す強力な硬さ-強度相関が観測されており、逆チェレンコフ散乱が支配的な2成分発光モデルを支持している。

ABSTRACT

The BL Lac object Mrk 501 went into a very high state of activity during 1997, both in VHE gamma-rays and X-rays. We present here results from observations at energies above 250 GeV carried out between March and October 1997 with the CAT Cerenkov imaging Telescope. The average differential spectrum between 30 GeV and 13 TeV shows significant curvature and is well represented by phi_0 * E_TeV^{-(alpha + beta*log10(E_TeV))}, with: phi_0 = 5.19 +/- 0.13 {stat} +/- 0.12 {sys-MC} +1.66/-1.04 {sys-atm} * 10^-11 /cm^2/s/TeV alpha = 2.24 +/- 0.04 {stat} +/- 0.05 {sys} beta = 0.50 +/- 0.07 {stat} (negligible systematics). The TeV spectral energy distribution of Mrk 501 clearly peaks in the range 500 GeV-1 TeV. Investigation of spectral variations shows a significant hardness-intensity correlation with no measurable effect on the curvature. This can be described as an increase of the peak TeV emission energy with intensity. Simultaneous and quasi-simultaneous CAT VHE gamma-ray and BeppoSAX hard X-ray detections for the highest recorded flare on 16th April and for lower-activity states of the same period show correlated variability with a higher luminosity in X-rays than in gamma-rays. The observed spectral energy distribution and the correlated variability between X-rays and gamma-rays, both in amplitude and in hardening of spectra, favour a two-component emission scheme where the low and high energy components are attributed to synchrotron and inverse Compton (IC) radiation, respectively.

研究の動機と目的

• 1997年の爆発的活動期中のMrk 501の非常に高エネルギー（VHE）ガンマ線スペクトル的性質をCAT Cherenkov望遠鏡データを用いて特徴づけること。
• VHEバンドにおけるスペクトル変動性とそのフラックス強度との相関を調査すること。
• スペクトルエネルギー分布（SED）の形状を特定し、VHEバンドにおける支配的発光メカニズムを同定すること。
• BeppoSAXおよびCATデータを用いた同時X線およびガンマ線変動性の検討により、発光モデルを検証すること。
• 観測されたスペクトルの曲率および変動性が、シンクロtronおよび逆チェレンコフ散乱過程を含む2成分発光モデルと整合しているかどうかを評価すること。

提案手法

• 1997年3月から10月にかけて収集されたCAT Cherenkovイメージング望遠鏡によるVHEガンマ線データの分析。
• ロジスティック放物線スペクトルモデルの適用：dN/dE = φ₀ × (E_TeV)^(-(α + β×log₁₀(E_TeV)))、ここでE_TeVはTeV単位のエネルギーを表す。
• モンテカルロシミュレーションおよび大気補正を用いたスペクトルパラメータφ₀、α、βの統計的および系統的誤差推定。
• BeppoSAX観測による同時ハードX線光度曲線とVHEガンマ線光度曲線の比較。
• フレア状態および静穏状態におけるフラックスおよびスペクトル指数の変動を分析することにより、スペクトル変動性の調査。
• 観測されたスペクトルエネルギー分布および相関する変動性を用いて発光モデルを制約し、低エネルギーでシンクロtron、高エネルギーで逆チェレンコフ散乱が支配する2成分シナリオを支持する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1997年の爆発的活動期におけるMrk 501のVHEガンマ線スペクトルの形状は何か？顕著な曲率を示すか？
• RQ2 VHEバンドにおけるスペクトルの硬さとフラックス強度の間に相関があるか？
• RQ3 VHEガンマ線とハードX線の光度曲線は時間的にどのように比較されるか？相関する変動の兆候はあるか？
• RQ4 観測されたスペクトルエネルギー分布および変動性は、単一ゾーンのシンクロtron自己逆チェレンコフ（SSC）モデルで説明可能か、それとも2成分発光シナリオを必要とするか？
• RQ5 VHE発光のピークエネルギーは何か？また、源の活動度に応じてどのように変化するか？

主な発見

• 30 GeVから13 TeVの間の微分的VHEスペクトルは顕著な曲率を示し、φ₀ = 5.19 × 10⁻¹¹ /cm²/s/TeV、α = 2.24、β = 0.50を有するロジスティック放物線モデルで最もよく記述される。
• スペクトルピークは500 GeVから1 TeVの範囲に位置し、エネルギー分布における折り返し（トゥルーブ）を示している。
• 顕著な硬さ-強度相関が観測され、フラックスが増加するにつれてスペクトル指数が硬化しており、フレア期にはピークエネルギーがより高い値へシフトしていることを示している。
• 同時CATおよびBeppoSAX観測により、X線およびガンマ線バンドの両方で相関する変動が観測され、4月16日の最大フレア時にはX線の縦断がガンマ線の縦断を上回っていた。
• 観測されたスペクトル的および変動的性質は、低エネルギー発光がシンクロtron放射、高エネルギー発光が逆チェレンコフ散乱による2成分発光モデルを強く支持している。
• 大気的要因およびモンテカルロシミュレーションによる系統的不確実性が定量的に評価され、φ₀における最大の不確実性は大気補正に起因し（±1.66/−1.04 × 10⁻¹¹ /cm²/s/TeV）、その範囲が最も大きい。