[論文レビュー] VHE gamma-ray emission from the FSRQs observed by the MAGIC telescopes

E. Lindfors, K. Nilsson+17 more|arXiv (Cornell University)|Mar 8, 2013

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、MAGIC Cherenkov望遠鏡が3つのフラットスペクトル電波クェザー（FSRQ）—PKS 1222+216、3C 279、PKS 1510-089—からの非常に高エネルギー（VHE）ガンマ線放射を検出した。理論的課題として強い光子吸収と非効率なVHE生成が想定されるが、FSRQはVHEガンマ線を放出可能であることが示された。主な発見は、PKS 1222+216で観測された急速な変動（flux doubling time ~10分）、3C 279で観測された10 GeV以上のエネルギーで顕著なスペクトルブレーク、およびPKS 1510-089で観測された多波長フレアが、光学およびX線活動と関連していることである。

ABSTRACT

Among more than fifty blazars detected in very high energy (VHE, E>100GeV) gamma-rays, only three belong to the subclass of Flat Spectrum Radio Quasars (FSRQs): PKS 1510-089, PKS 1222+216 and 3C 279. The detection of FSRQs in the VHE range is challenging, mainly because of their steep soft spectra in the GeV-TeV regime. MAGIC has observed and detected all FSRQs known to be VHE emitters up to now and found that they exhibit very different behavior. The 2010 discovery of PKS 1222+216 (z = 0.432) with the fast variability observed, challenges simple one-zone emission models and more complicated scenarios have been proposed. 3C 279 is the most distant VHE gamma-ray emitting AGN (z = 0.536), which was discovered by MAGIC in 2006 and detected again in 2007. In 2011 MAGIC observed 3C 279 two times: first during a monitoring campaign and later observations were triggered by a flare detected with Fermi-LAT. We present the MAGIC results and the multiwavelength behavior during this flaring epoch. Finally, we report the 2012 detection of PKS 1510-089 (z = 0.36), together with its simultaneous multiwavelength data from optical to gamma-rays.

研究の動機と目的

• FSRQ（通常、スペクトル的および吸収的制約によりVHE放射の優れた候補とは考えられていない）のVHEガンマ線放射特性を調査すること。
• フレア状態における多波長光度曲線およびスペクトルエネルギー分布（SED）を分析し、FSRQにおける放射メカニズムを理解すること。
• 観測された急速な変動およびVHE放射のスペクトル的特徴と照らし合わせて、ワンゾーン放射モデルの妥当性を検証すること。
• 外部銀河背景放射（EBL）吸収および幅広い線領域（BLR）光子場の影響を評価することで、VHE放射領域の位置を特定すること。
• Fermi-LATおよび多波長データとMAGIC観測を比較し、相関関係や放射領域の特徴を同定すること。

提案手法

• MAGIC Cherenkov望遠鏡が実施するステレオモード観測を用い、50 GeVの低エネルギー閾値と、300 GeV以上で50時間あたり約0.8% Crabの高感度を達成した。
• Fermi-LAT、Swift、KVA、Liverpool、OVRO、Metsähovi、VLBA、F-Gammaと同時観測されたデータを組み合わせ、多波長光度曲線を構築した。
• 外部銀河背景放射（EBL）吸収をDominguezら（2011）のモデルを用いて補正し、固有の源スペクトルを推定した。
• 電波帯からVHEガンマ線帯にわたり、スペクトルエネルギー分布（SED）を分析し、パワーロウのフィッティングとスペクトルブレークまたはカットオフの特定を行った。
• 光度曲線に対して時間分解解析を実施し、変動 timescale（例：flux doubling time）を測定し、エネルギー帯域間でのフレアの相関を評価した。
• 統計的有意性の検定（例：>5σの検出閾値）を用いて、VHEガンマ線の検出を確認し、非フレア状態での上限値を設定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 従来、VHEガンマ線放射の優れた候補とは考えられていないFSRQが、100 GeV以上のエネルギーで検出可能かどうか？
• RQ2 PKS 1222+216で観測された急速なVHE変動（flux doubling time ~10分）の起源は何か？ これはワンゾーン放射モデルにどのように挑戦するか？
• RQ3 10 GeV以上で観測された3C 279のスペクトルブレークは、カットオフを示すのか、それとも放射メカニズムの変化を示すのか？ そして多波長フレアとどのように関連するか？
• RQ4 2012年のフレア期におけるPKS 1510-089の多波長光度曲線は、電波帯からVHE帯にわたり、どのように相関しているか？
• RQ5 高赤方偏移を示すFSRQにおけるVHEガンマ線の検出可能性およびスペクトル形状に、EBL吸収およびBLR光子場がどの程度影響を及えるか？

主な発見

• MAGICは2010年6月17日、赤方偏移z = 0.432のPKS 1222+216からVHEガンマ線を検出。70–400 GeV範囲での光子指数はΓ = 3.75 ± 0.27（統計誤差）± 0.2（系統誤差）であった。
• EBL吸収を補正した同時Fermi-LATおよびMAGICスペクトルは、3 GeVから400 GeVにわたり単一のパワーロウ（指数2.7 ± 0.3）と整合的であり、幅広い線領域の外側からの放射を示唆している。
• PKS 1222+216のVHE光度曲線は、flux doubling timeが約10分である急速な変動を示しており、FSRQで観測された中で最も速い変動の一つであり、コンパクトな放射領域を示唆している。
• 2011年にFermi-LATがトリガーしたキャンペーン中にMAGICが3C 279を観測したが、VHE放射は検出されず、過去の観測よりもきつい上限値が得られた。
• Fermi-LATとMAGICの併合データから、3C 279の10 GeV以上のエネルギーでスペクトルブレークが示唆され、これはカットオフまたは放射メカニズムの変化を示唆している。
• MAGICは2012年2月から4月にかけて、主要な光学的噴出に続くPKS 1510-089（z = 0.36）からのVHEガンマ線を>5σの有意性で検出。多波長データは、電波帯からVHE帯にわたり、フレアが相関していることを示した。