[論文レビュー] Waiting times between gamma-ray flares of Flat Spectrum Radio Quasars, and constraints on emission processes

L. Pacciani|arXiv (Cornell University)|Apr 2, 2021

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 56被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、Fermi-LATデータを用いたスキャン統計手法（iSRS）を用いて、フラットスペクトル電波クェザー（FSRQ）におけるガンマ線フレア間の待ち時間の分析を行った。その結果、平均持続時間約0.6年、発生率約1.3年⁻¹の支配的でポアソン的である爆発的プロセスが明らかになった。また、特にCTA 102において、1日未塔の短い待ち時間を持つ明確な高速成分（fast-component）が同定され、これは超光速特徴K1が再収束衝撃波を通過する時期と一致しており、プラズモイド駆動のフレア発生または磁気再結合の間欠的注入メカニズムを示唆している。

ABSTRACT

The physical scenario responsible for gamma-ray flaring activity and its location for Flat Spectrum Radio Quasars is still debated. The study of the statistical distribution of waiting-times between flares (the time intervals between consecutive activity peaks) can give information on the distribution of flaring times, and constrain the physical mechanism responsible for gamma-ray emission. We adopt here a Scan-Statistic driven clustering method (iSRS) to recognize flaring states within the FERMI-LAT data, and identify the time of activity-peaks. Results: Flares waiting times can be described with a poissonian process, consisting of a set of overlapping bursts of flares, with an average burst duration of about 0.6 year, and average rate of 1.3/y . For waiting times below 1d host-frame we found a statistically-relevant second population, the fast-component, mainly from CTA 102 data. The period of conspicuous detection of the fast component for CTA 102 coincides with the crossing-time of the superluminal K1 feature with the C1 stationary feature in radio reported in Jorstad et al. (2017); Casadio et al. (2019). Conclusions: To reconcile the mechanism proposed in Jorstad et al. (2017); Casadio et al. (2019) with the bursting-activity, we have to assume that plasma streams with a typical length of about 2pc (in the stream reference-frame) reach the recollimation-shock. Otherwise, the distribution of waiting-times can be interpreted as originating from relativistic-plasma moving along the jet for a deprojected length of about 30-50pc (assuming a Lorentz-factor=10), that sporadically produces gamma-ray flares. In magnetic-reconnection scenario, reconnection events or plasma injection to the reconnection-sites should be intermittent. Individual plasmoids can be resolved in a few favourable cases only (Christie et al., 2019); they could be responsible for the fast component.

研究の動機と目的

• ガンマ線フレア間の待ち時間の統計的分布を理解し、放射メカニズムを制約すること。
• フレア活動がランダムまたは爆発的であることを示すポアソン過程に従うか、物理的バーストを示唆するクラスタリングを示すかを特定すること。
• 1日未塔の待ち時間に現れる高速成分の起源を解明し、そのジェット構造との物理的関連を調査すること。
• 観測されたフレアタイミングが、CTA 1002のような特定の源における既知の超光速特徴および再収束衝撃波と相関しているかどうかを検証すること。
• 待ち時間分布が、磁気再結合や衝撃ドリフト加速などの粒子加速モデルに与える意味を評価すること。

提案手法

• Fermi-LAT光曲線にiSRS（強度スキャン統計）手法を適用し、統計的に有意なフレアピークを検出した。
• 待ち時間を連続するフレアピーク時刻間の時間間隔として定義し、主にホストフレームでの時間に焦点を当てた。
• 観測された待ち時間分布を、複合モデル（マルチログハット＋ポアソン的、マルチポワ＋ポアソン的）でフィットさせ、バーストパラメータおよび高速成分の減衰時間も組み込んだ。
• モンテカルロシミュレーションを用いて、バースト発生率、持続時間、フレア分布パラメータに基づく合成待ち時間分布を生成した。
• モデルフィッティングにはバインダブル・キャッシュ統計を用い、ゼロバーストのシミュレーション補正として−2ln(1−P_null)項を適用した。
• 時間的重ね合わせ効果をシミュレーションにより評価し、100 MeVおよび300 MeVのエネルギー閾値における分解能の高いフレア検出率を比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FSRQにおけるガンマ線フレア間の待ち時間分布は、ランダムまたは爆発的活動を示すポアソン過程に従うか？
• RQ2 1日未塔の待ち時間に現れる二次的高速成分（fast-component）の起源は何か？ また、既知のジェット構造と物理的に関連しているか？
• RQ3 観測された待ち時間分布は、相対論的プラズマストリームがジェットに沿って移動するか、または間欠的な磁気再結合イベントによって説明できるか？
• RQ4 CTA 102における高速成分フレアのタイミングは、超光速特徴K1がC1再収束衝撃波を通過する時期と相関しているか？
• RQ5 時間的重ね合わせ効果は、密接に連続するフレアの検出にどのように影響するか？ また、異なるエネルギー閾値におけるiSRS手法の分解能は？

主な発見

• 全般的な待ち時間分布は、重複するバーストを伴うポアソン的プロセスで最もよく記述され、平均バースト持続時間は約0.6年、バースト発生率は年間約1.3回である。
• 1日未塔の待ち時間に統計的に有意な第二の成分（高速成分）が存在し、これは数10件のイベントから構成され、主にCTA 102で観測された。
• CTA 102における高速成分検出の時間窓は、Jorstad et al. (2017)およびCasadio et al. (2019)で報告されたように、超光速特徴K1が静止したC1再収束衝撃波を通過した時期と正確に一致している。
• K1–C1通過と爆発的フレア活動を整合させるためには、静止系で約2 pcの典型的長さを持つプラズマストリームが必要であり、これは衝撃波通過中に複数回のフレアを生成するのに十分な長さであることを示唆している。
• 代替的解釈として、バーストローレンツ因子Γ = 10を仮定した場合、約30–50 pcの投影距離をジェットに沿って移動する相対論的プラズマが、間欠的にフレアを生成する可能性があり、観測された待ち時間分布と整合的である。
• 高速成分フレアは、間欠的な磁気再結合によって形成される個々のプラズモイドに起因する可能性があり、有利な状況では解像可能であると、Christie et al. (2019)が示唆している。