[논문 리뷰] A multi-messenger study of the blazar PKS 0735+178: a new major neutrino source candidate

N. Sahakyan, P. Giommi외 5명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 11.

Astrophysics and Cosmic Phenomena인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 2021년 12월의 다파장 플레어 활동에 대한 다메시저 분석을 통해 PKS 0735+178을 주요 천체물리학적 중성미자 소스의 강력한 후보로 규명한다. 외부 복사장이 있는 일점 렙토-하드로닉 모델을 사용하여 저자들은 3주간의 플레어 동안 최대 0.067개의 뮤온 및 양뮤온 중성미자를 예측하며, 이는 IceCube-211208A의 검출과 일치한다. 이는 유사한 블라자가 고에너지 중성미자의 주요 소스일 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

The blazar PKS 0735+178 is possibly associated with multiple neutrino events observed by the IceCube, Baikal, Baksan, and KM3NeT neutrino telescopes while it was flaring in the $γ$-ray, X-ray, ultraviolet and optical bands. We present a detailed study of this peculiar blazar to investigate the temporal and spectral changes in the multi-wavelength emission when the neutrino events were observed. The analysis of Swift-XRT snapshots reveal a flux variability of more than a factor 2 in about $5 imes10^3$ seconds during the observation on December 17, 2021. In the $γ$-ray band, the source was in its historical highest flux level at the time of the arrival of the neutrinos. The observational comparison between PKS 0735+178 and other neutrino source candidates, such as TXS 0506+056, PKS 1424+240, and GB6 J1542+6129, shows that all these sources share similar spectral energy distributions, very high radio and $γ$-ray powers, and parsec scale jet properties. Moreover, we present strong supporting evidence for PKS 0735+178 to be, like all the others, a masquerading BL Lac. We perform comprehensive modelling of the multiwavelength emission from PKS 0735+178 within one-zone lepto-hadronic models considering both internal and external photon fields and estimate the expected accompanying neutrino flux. The most optimistic scenario invokes a jet with luminosity close to the Eddington value and the interactions of $\sim$ PeV protons with an external UV photon field. This scenario predicts $\sim 0.067$ muon and antimuon neutrinos over the observed 3-week flare. Our results are consistent with the detection of one very-high-energy neutrino like IceCube-211208A.

연구 동기 및 목표

• 2021년 12월의 주요 플레어 기간 동안 PKS 0735+178의 다파장 변동성을 조사하기 위해.
• 스펙트럼 에너지 분포(SED)와 제트 특성에 기반하여 이 소스가 고에너지 중성미자 생성을 위한 타당한 후보자인지 평가하기 위해.
• 내부 및 외부 광자장이 포함된 일점 렙토-하드로닉 모델을 사용하여 PKS 0735+178의 예상 중성미자 플럭스를 모델링하기 위해.
• TXS 0506+056, PKS 1424+240, GB6 J1542+6129와 같은 다른 알려진 중성미자 소스 후보들과의 비교를 위해.
• 예측된 중성미자 플럭스가 관측된 IceCube-211208A 사건과 통계적으로 일치하는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 2021년 12월 17일 관측 동안 약 5×10³ 초 동안 X선 플럭스가 2배 이상 증가함을 밝혀내기 위해 Swift-XRT 스퍼핑 데이터 분석.
• PKS 0735+178와 다른 알려진 중성미자 소스 후보자 간의 스펙트럼 에너지 분포(SED) 비교를 통해 라디오, 감마선, X선 복사 강도에서 유사성을 규명하기 위해.
• 제트 내에서 양성자-양성자 및 양성자-광자 상호작용을 시뮬레이션하기 위해 내부 및 외부(자외선) 광자장을 포함한 일점 렙토-하드로닉 모델 적용.
• 제트 복사 강도가 Eddington 한계 근처일 경우 및 외부 자외선 광자장과의 상호작용을 고려한 다양한 시나리오에서 예상되는 뮤온 및 양뮤온 중성미자 플럭스 추정.
• 기대값이 0.067일 때 한 개의 중성미자를 관측할 수 있는 포isson 확률을 통계적으로 평가하여 모델의 관측 일치성 평가.
• Fermi-LAT, NVSS 및 기타 천체망원경의 기록 자료를 활용하여 소스의 역사적 활동성과 SED 변화 추적.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 IceCube, Baikal, Baksan, KM3NeT에서 검출된 다수의 고에너지 중성미자 사건과 PKS 0735+178는 공간적·시간적으로 일치하는가?
• RQ2 2021년 플레어 기간 동안 PKS 0735+178의 스펙트럼 에너지 분포는 TXS 0506+056와 같은 알려진 중성미자 소스 후보들과 유사한가?
• RQ3 외부 광자장이 포함된 일점 렙토-하드로닉 모델 하에서 PKS 0735+178의 예상 중성미자 플럭스는 얼마인가?
• RQ4 예측된 IceCube 중성미자 수는 관측된 IceCube-211208A 사건과 어떻게 비교되는가?
• RQ5 낮은 기대 사건 수를 감안할 때 관측된 중성미자 플럭스가 모델 예측과 통계적으로 일치하는가?

주요 결과

• 2021년 12월 17일 관측 기간 동안 PKS 0735+178의 X선 플럭스는 약 5,000초 동안 2배 이상 변동하여 강한 변동성을 보였다.
• 2021년 12월 플레어 기간 동안 PKS 0735+178는 역사적으로 가장 높은 감마선 플럭스 수준에 도달하여 활동도가 높은 상태임을 시사한다.
• 이 소스는 TXS 0506+056 및 PKS 1424+240와 유사한 스펙트럼 에너지 분포(SED)와 높은 라디오 및 감마선 복사 강도를 보인다.
• 가장 낙관적인 일점 렙토-하드로닉 모델에서는 제트 복사 강도가 Eddington 한계 근처이며 약 PeV 에너지의 양성자가 외부 자외선 광자장과 상호작용한다고 가정할 경우, 3주간의 플레어 동안 약 0.067개의 뮤온 및 양뮤온 중성미자를 예측한다.
• 기대값이 0.067일 때 한 개의 중성미자를 관측할 수 있는 포isson 확률은 약 6.7%이며, 이는 IceCube-211208A 검출과 통계적으로 일치한다.
• 결과는 유사한 고에너지 블라자가 플레어 상태일 경우 평균적으로 하나의 검출 가능한 IceCube 중성미자를 방출할 수 있으며, 현재 모델은 플레어 당 낮은 사건 수를 예측한다.