[논문 리뷰] A first joint M87 campaign in 2008 from radio to TeV gamma-rays

Robert Wagner, M. Beilicke외 6명|arXiv (Cornell University)|2009. 07. 09.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 1인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 M87에서 처음으로 실시된 다파장 연계 관측 캠프(2008)를 보고하며, VHE 감마선(HESS, MAGIC, VERITAS), X선(차이나), 43 GHz VLBA 전파 관측을 통합한다. 2008년 2월에 강력한 VHE 감마선 플레어가 관측되었으며, 이는 핵의 X선 활동 증가와 내부 제트에서의 희귀하고 강력한 전파 플레어와 동시에 발생하였다. 이는 VHE 복사가 HST-1에 국한된 모델을 도전하며 핵 기반의 기원을 시사한다.

ABSTRACT

M87, the central galaxy of the Virgo cluster, is the first radio galaxy detected in the TeV regime. The structure of its jet, which is not pointing toward the line of sight, is spatially resolved in X-ray (by Chandra), in optical and in radio observations. Time correlation between the TeV flux and emission at other wavelengths provides a unique opportunity to localize the very high energy gamma-ray emission process occurring in AGN. For 10 years, M87 has been monitored in the TeV band by atmospheric Cherenkov telescopes. In 2008, the three main atmospheric Cherenkov telescope observatories (H.E.S.S., MAGIC and VERITAS) coordinated their observations in a joint campaign from January to May with a total observation time of approx. 120 hours. The campaign largely overlapped with an intensive VLBA project monitoring the core of M87 at 43 GHz every 5 days. In February, high TeV activities with rapid flares have been detected. Contemporaneously, M87 was observed with high spatial resolution instruments in X-rays (Chandra). We discuss the results of the joint observation campaign in 2008.

연구 동기 및 목표

• M87의 매우 높은 에너지(VHE) 감마선 복사 기원을 연구하기 위해 다기기 VHE 감마선, X선 및 전파 관측을 연계하는 것.
• 특히 HST-1과 핵 영역에서의 활동과 연관된 VHE 감마선 플레어의 공간적·시간적 상관관계를 조사하는 것.
• 희귀한 강력한 전파 플레어 기간 동안 VHE, X선 및 전파 대역에서의 변화를 비교함으로써 VHE 복사 모델을 시험하는 것.
• 다중 대역 변화 패tern을 기반으로 VHE 복사가 핵, HST-1 또는 더 큰 척도의 제트 구조에서 기인하는지 규명하는 것.
• 동시 다중 대역 광도곡선과 변화 시간 스케일을 활용하여 복사 영역의 크기와 위치에 대한 제약 조건을 개선하는 것.

제안 방법

• 2008년 1월에서 5월 사이에 H.E.S.S., MAGIC, VERITAS의 세 대기 체렌코프 망원경을 활용해 총 120시간에 걸친 연계 VHE 감마선 관측 캠프를 실시하였다.
• 캠프 기간 동안 HST-1(내부 제트의 가장 안쪽 뭉치)와 핵의 X선 플럭스를 모니터링하기 위해 천문우주선 차이나와의 관측을 동기화하였다.
• 매 5일마다 43 GHz에서 고해상도(밀리아크초 이하)로 M87의 핵과 내부 제트를 모니터링하기 위해 VLBA를 활용하였으며, 약 140 Schwarzschild 반경 이내의 구조를 해상도 확보하였다.
• 다양한 파장대에서의 광도곡선을 분석하여 서로 다른 대역에서의 플레어 간 시간 상관관계를 탐색하였다.
• 단기 시간 스케일(예: 1일)에서 VHE 감마선 변화를 식별하고 정량화하기 위해 통계적 유의성 검정(예: MAGIC의 경우 5.6σ)을 적용하였다.
• 상대론적 제트 내의 렙톤 및 허드론 기반 VHE 복사 메커니즘 이론 모델과 관측된 다중 대역 변화 패턴을 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 M87의 VHE 감마선 복사는 X선 핵의 플레어 활동 또는 HST-1 제트 뭉치의 플레어 활동과 상관이 있는가?
• RQ2 2008년 2월에 관측된 VHE 감마선 플레어는 VLBA 관측에 의해 내부 제트에서의 뚜렷한 전파 플레어와 동시에 발생했는가?
• RQ3 관측된 다중 대역 변화 패턴이 VHE 복사 영역의 공간적 위치(예: 핵 대비 HST-1)를 제약할 수 있는가?
• RQ4 2008년 관측 결과는 HST-1의 X선 폭발 기간에 발생한 2005년 VHE 플레어와 어떻게 비교되는가?
• RQ5 2008년에 관측된 전파 플레어가 43 GHz에서 기록된 바 가장 높은 플럭스에 도달하였는데, 이는 새로운 복사 메커니즘의 징후이거나 희귀한 사건을 의미하는가?

주요 결과

• MAGIC는 2008년 2월에 강력한 VHE 감마선 플레어를 관측하였으며, 350 GeV 이상의 플럭스 변화가 1일 이내의 짧은 시간 스케일에서 5.6σ의 유의성로 관측되었다.
• VHE 플레어 기간 동안 HST-1의 X선 플럭스는 낮은 상태였으며, 이는 2005년 플레어 당시 HST-1가 고X선 상태였던 것과 대조된다.
• 2008년 2월에 M87의 X선 핵에서 기록된 바 가장 높은 플럭스가 관측되었으며, VHE 플레어 이후 며칠 내로 측정되었다.
• VLBA 관측 결과, 핵 영역(r = 1.2 밀리아크초)의 전파 플럭스가 지속적으로 증가하여, 지난 10년간 M87의 43 GHz 관측 기록 중 가장 높은 수준에 도달하였다.
• 2008년의 전파 플레어는 진폭과 시간 스케일 면에서 이전에 없던 것으로, 제트 기저에서 희귀하거나 극단적인 활동을 시사한다.
• VHE 플레어와 HST-1 X선 활동 간 상관관계가 없었고, 핵의 X선 및 전파 플레어가 함께 관측됨에 따라 VHE 복사가 HST-1에 국한된 모델은 더 이상 타당성이 떨어진다.