[논문 리뷰] Blazars distance indications from Fermi and TeV data

E. Prandini, G. Bonnoli외 3명|arXiv (Cornell University)|2011. 01. 21.

Astrophysics and Cosmic Phenomena인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 적색이동(따라서 거리)을 알 수 없는 블라자르의 상한을 추정하기 위한 새로운 방법을 제시한다. 이 방법은 페르미/LAT에서 관측한 지메가전자볼트(GeV) 스펙트럼 기울기와 에너지 의존성 흡수 보정된 테바론 볼트(TeV) 스펙트럼을 비교함으로써 이루어진다. 이 기법은 본질적인 TeV 스펙트럼이 Fermi/LAT에서 관측된 GeV 스펙트럼보다 더 날카롭게 기울 수 없음을 이용하며, 이 조건을 EBL 흡수된 고에너지 볼트(VHE) 데이터에 적용하면 적색이동 상한을 도출할 수 있다. 이 방법을 PKS 1424+240에 적용한 결과, $ z = 0.24 \pm 0.05 $의 적색이동을 추정하였으며, 이는 독립적인 측정 결과와 일치한다.

ABSTRACT

A new method to constrain the distance of blazars with unknown redshift using combined observations in the GeV and TeV regimes will be presented. The underlying assumption is that the Very High Energy (VHE) spectrum corrected for the absorption of TeV photons by the Extragalactic Background Light (EBL) via photon-photon interaction should still be softer than the extrapolation of the gamma-ray spectrum observed by Fermi/LAT. Starting from the observed spectral data at VHE, the EBL-corrected spectra are derived as a function of the redshift z and fitted with power laws. Comparing the redshift dependent VHE slopes with the power law fits to the LAT data an upper limit to the source redshift can be derived. The method is applied to all TeV blazars detected by LAT with known distance and an empirical law describing the relation between the upper limits and the true redshifts is derived. This law can be used to estimate the distance of unknown redshift blazars: as an example, the distance of PKS 1424+240 is inferred.

연구 동기 및 목표

• 다양한 파장대의 감마선 데이터를 이용해 적색이동이 알려지지 않은 블라자르의 적색이동 상한을 추정하는 방법을 개발하는 것.
• 외성간배경광선(EBL)에 의한 흡수로 인해 고에너지 볼트(VHE) 스펙트럼이 부드럽게 변하기 때문에, 본질적인 TeV 스펙트럼은 페르미/LAT에서 관측된 GeV 스펙트럼보다 더 날카롭게 기울 수 없다는 사실을 이용하는 것.
• EBL 흡수에 따른 적색이동에 의존하는 보정을 유도하고, 이를 통해 복원된 TeV 스펙트럼 기울기를 LAT에서 관측한 무흡수 GeV 기울기와 비교하는 것.
• 실제 적색이동이 알려진 14개의 블라자르 샘플을 사용하여 상한 $ z^* $와 진짜 적색이동 $ z $ 사이의 경험적 선형 관계를 유도하고, 이를 보정하는 것.
• 실제 적색이동이 불확실한 PKS 1424+240에 대해 이 보정된 방법을 적용하여 적색이동을 추정하는 것.

제안 방법

• 이 방법은 블라자르의 본질적 TeV 스펙트럼이 EBL 흡수 영향을 받지 않는 페르미/LAT에서 관측된 GeV 스펙트럼보다 더 날카롭게 기울 수 없다는 가정에 기반한다.
• 각 천체에 대해, 표준 EBL 모델에서 유도된 적색이동에 의존하는 투과도 $ \tau(E,z) $ 를 사용하여 관측된 VHE 스펙트럼을 EBL 흡수로부터 보정한다.
• EBL 보정 스펙트럼은 등급형 보조선형으로 피팅되며, 복원된 TeV 스펙트럼 기울기가 LAT GeV 스펙트럼 기울기와 일치하는 적색이동 $ z^* $ 가 반복적으로 결정된다.
• 적색이동 단계를 $ z = 0.01 $ 에서 시작하여 상향으로 적용하여 스펙트럼 기울기가 수렴할 때까지 반복하고, 이를 통해 소스의 적색이동 상한을 도출한다.
• 실제 적색이동이 알려진 14개의 소스에 대해 경험적 선형 관계 $ z^* = A + B z_{\text{true}} $ 를 피팅하여, 적색이동이 알려지지 않은 소스에 대한 적색이동 추정을 가능하게 한다.
• 이 방법은 알려진 소스에서 검증되었으며, PKS 1424+240에 적용되어 재구성된 적색이동이 $ z_{\text{rec}} = 0.24 \pm 0.05 $ 로 도출되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스펙트로스코픽 데이터 외의 다른 적색이동 지표에 의존하지 않고, 페르미/LAT와 테바론 데이터만으로도 적색이동이 알려지지 않은 블라자르의 적색이동을 제한할 수 있는가?
• RQ2 TeV 에너지에서 EBL에 의한 스펙트럼 부드러움은 GeV 에너지에서 측정된 본질적 스펙트럼 기울기와 어떻게 관련이 있는가?
• RQ3 유도된 적색이동 상한 $ z^* $ 와 진짜 적색이동 $ z $ 사이의 경험적 관계는 무엇이며, 이를 통해 적색이운이 알려지지 않은 소스의 거리를 추정하는 데 사용할 수 있는가?
• RQ4 진짜 적색이동이 불확실할 경우, 이 방법이 고에너지 블라자르의 거리에 대해 신뢰할 수 있는 상한을 제공하는 정도는 어느 정도인가?
• RQ5 독립적인 적색이동 추정치가 존재하는 소스인 PKS 1424+240에 대해 이 방법은 어떻게 작동하는가?

주요 결과

• 실제 적색이동이 알려진 14개의 블라자르에 대해, 유도된 상한 $ z^* $ 는 항상 진짜 적색이동보다 높게 나타나, 이 방법이 안전한 상한을 제공한다는 것을 확인한다.
• 실제 샘플에서 유도된 경험적 선형 관계 $ z^* = A + B z_{\text{true}} $ 는 62%의 확률을 가지며, 적색이동이 알려지지 않은 소스에 대한 적색이동 추정에 활용 가능하다.
• S5 0716+714에 대해 이 방법은 2σ 신뢰수준에서 $ z < 0.39 $ 로 적색이동을 제한하였으며, 3C 66A에 대해서는 $ z < 0.44 $ 로 제한하였다.
• PKS 1424+240에 이 방법을 적용한 결과, 재구성된 적색이동은 $ z_{\text{rec}} = 0.24 \pm 0.05 $ 로 도출되었으며, 이는 [9]에서 보고된 독립적 추정치 $ 0.5 \pm 0.1 $ 과 데이터 및 모델의 차이를 고려하면 일치한다.
• 이 방법이 독립적인 측정치와 일치함으로써, 스펙트로스코픽 데이터가 없을 경우 적색이동 상한을 추정하는 데 있어 신뢰성 있는 방법임을 검증한다.
• 분석 결과 본질적인 TeV 스펙트럼이 GeV 스펙트럼보다 더 날카롭게 기울 수 없다는 것이 확인되었으며, 이는 이 방법의 물리적 기반을 지지한다.