[論文レビュー] X-ray Observations of 1ES 1959+650 in its high activity state in 2016-2017 with AstroSat and Swift

S. Chandra, Markus Boettcher+7 more|arXiv (Cornell University)|May 17, 2021

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 71被引用数 14

ひとこと要約

本研究では、2016–2017年の高活動状態における高周波数ピークを持つBL Lac対象1ES 1959+650のX線フレアを、高時間分解能のAstroSatおよびSwiftデータを用いて詳細に分析した。時間に依存するレプトン系拡散衝撃加速モデルを用いて、スペクトルの硬化およびシンクロtronピークエネルギーのシフトが、視線角のわずかな変化（∆θ ∼0.5°）に起因するドップラー因子の変化によって最もよく説明されることを示した。2017年には2016年よりも強いフラックス・フレア硬化が観測された。

ABSTRACT

We present a comprehensive multi-frequency study of the HBL 1ES 1959+650 using data from various facilities during the period 2016-2017, including X-ray data from {\it AstroSat} and {\it Swift} during the historically high X-ray flux state of the source observed until February 2021. The unprecedented quality of X-ray data from high cadence monitoring with the {\it AstroSat} during 2016-2017 enables us to establish a detailed description of X-ray flares in 1ES 1959+650. The synchrotron peak shifts significantly between different flux states, in a manner consistent with a geometric (changing Doppler factor) interpretation. A time-dependent leptonic diffusive-shock-acceleration and radiation transfer model is used to reproduce the spectral energy distributions (SEDs) and X-ray light curves, to provide insight into the particle acceleration during the major activity periods observed in 2016 and 2017. The extensive data of {\it Swift}-XRT from December 2015 to February 2021 (Exp. = 411.3 ks) reveals a positive correlation between flux and peak position.

研究の動機と目的

• 2016–2017年の1ES 1959+650で観測された極端なX線フレアの背後にある物理的メカニズムを理解すること。
• 複数のX線状態における源のスペクトルおよびフラックス変動を調査すること。
• 観測された「明るいときほど青くなる」傾向およびシンクロtronピークエネルギーのシフトが、時間に依存する粒子加速モデルによって説明可能かどうかを検討すること。
• レプトン系拡散衝撃加速モデルが、フレア活動中の全波長スペクトルエネルギー分布（SED）および光度曲線を再現する可能性を検証すること。
• 6年間にわたる監視をカバーする包括的かつ公開可能なX線スペクトルパラメータデータセットを提供すること。

提案手法

• 2016–2017年の間、AstroSatのソフトX線望遠鏡（SXT）および大面積比例計数器（LAXPC）からの高時間分解能X線データを用いた。
• 2015年12月から2021年2月まで（合計411.3 ks）の同時および準同時Swift-XRT観測を補足した。
• 曲率を含む破れたパワー則モデルを用いて時間分解スペクトル解析を実施し、光子指数（α）および曲率パラメータ（β）を決定した。
• νFνスペクトル形からの解析的公式 Es,p = E0 × 10^{(2−α)/(2β)} を用いて、導出されたαおよびβからシンクロtronピークエネルギー（Es,p）を計算した。
• わずかに相対論的である衝撃波における拡散衝撃加速に基づく時間に依存するレプトン系モデルを適用し、自己一貫的なシンクロtron、SSC、外部コンプトン冷却を含めた。
• 複数エポックのSED（2016年のT1–T6、2017年のT8–T10）およびX線光度曲線にモデルをフィットさせ、スペクトルおよびフラックス変動を再現した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2016–2017年のフレア中に観測された1ES 1959+650のX線スペクトルにおける強い「明るいときほど青くなる」傾向の原因は何か？
• RQ2 2016年と2017年の異なるX線フレアにおいて、シンクロtronピークエネルギーおよびスペクトルの硬さはどのように変化するか？
• RQ3 衝撃加速と放射冷却を含む時間に依存するレプトン系モデルが、観測されたSEDおよび光度曲線を再現可能か？
• RQ4 放射領域における物理的変化（例：ドップラー因子、磁場、視線角）のうち、観測されたスペクトルおよびフラックス変動を最もよく説明するのはどれか？
• RQ5 2017年には2016年と同程度のピークフラックスレベルであったにもかかわらず、なぜスペクトル硬化がより顕著に観測されたのか？

主な発見

• X線スペクトル指数（α）はX線フラックス（FX,0.3–7.0 keV）と強く負の相関を示し、2016年および2017年ともに「明るいときほど青くなる」傾向が確認された。
• シンクロtronピークエネルギー（Es,p）はX線フラックスに伴い増加し、フレア時に高エネルギー側への顕著なスペクトルシフトが生じていることを示した。
• 「明るいときほど青くなる」傾向は2017年の方が2016年よりも強く、表3のα vs. FX相関の勾配が急であることが示された。
• 拡散衝撃加速を含む時間に依存するレプトン系モデルは、2016年および2017年のフレアの両方のSEDおよび光度曲線を成功裏に再現した。
• モデルでは、スペクトルおよびフラックス変動が、約1年間でわずかな視線角の変化（∆θ ∼0.5°）に起因するドップラー因子の変化に加え、磁場の低減によって説明されるとしている。
• 本研究では、6年間（2015年1月 – 2021年2月）にわたるX線スペクトルパラメータの公開可能なデータセットを提供しており、将来的なマルチワーブルングループ連関研究に貢献する。