[논문 리뷰] Constraints on the emission region of 3C 279 during strong flares in 2014 and 2015 through VHE gamma-ray observations with H.E.S.S

H. E. S. S. Collaboration, H. Abdalla외 225명|UvA-DARE (University of Amsterdam)|2019. 06. 12.

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한 줄 요약

이 연구는 2014년과 2015년 강한 플레어 기간 동안 블라자르 3C 279의 복사 영역을 제한하기 위해 H.E.S.S.에서 확보한 VHE 감마선 관측 자료를 사용한다. 2015년에 유의미한 8.7σ 검출이 가능해, 광원 영역에서의 감마선 흡수를 정밀하게 추정할 수 있었으며, 이로 인해 브로드-라인 영역 외부에 위치한 복사 영역을 확인할 수 있었다. 이는 X선 및 고에너지 변동성에 대한 낮은 적합도로 인해 단순한 일점 모델에 도전하는 결과를 낳았다.

ABSTRACT

The flat spectrum radio quasar 3C 279 is known to exhibit pronounced variability in the high-energy ($100\,$MeV$100\,$GeV) $γ$-ray domain. While the observation in 2014 provides an upper limit, the observation in 2015 results in a signal with $8.7\,σ$ significance above an energy threshold of $66\,$GeV. No VHE variability has been detected during the 2015 observations. The VHE photon spectrum is soft and described by a power-law index of $4.2\pm 0.3$. The H.E.S.S. data along with a detailed and contemporaneous multiwavelength data set provide constraints on the physical parameters of the emission region. The minimum distance of the emission region from the central black hole is estimated using two plausible geometries of the broad-line region and three potential intrinsic spectra. The emission region is confidently placed at $r\gtrsim 1.7 imes10^{17}\,$cm from the black hole, i.e., beyond the assumed distance of the broad-line region. Time-dependent leptonic and lepto-hadronic one-zone models are used to describe the evolution of the 2015 flare. Neither model can fully reproduce the observations, despite testing various parameter sets. Furthermore, the H.E.S.S. data are used to derive constraints on Lorentz invariance violation given the large redshift of 3C 279.

연구 동기 및 목표

• 강한 플레어 기간 동안 3C 279의 VHE 감마선 복사 영역의 공간적 위치를 VHE 감마선 자료를 이용해 제한하기.
• 동시다발적인 다파장 광도곡선 및 스펙트럼과의 비교를 통해 일점 렙톤 및 렙토-핵성 모델의 타당성을 검증하기.
• 브로드-라인 영역의 광자장에 의한 감마선 흡수를 이용해 블랙홀 중심으로부터의 복사 영역 거리를 결정하기.
• IceCube에서 모델 예측 고에너지 중성미자 플럭스의 탐지 가능성 평가 및 그 구분 능력 평가하기.
• 고에너지 감마선 자료를 통한 로렌츠 불변 위반(LIV) 및 양자 중력 효과 연구에 기여하기.

제안 방법

• H.E.S.S.는 2014년과 2015년 플레어 기간 동안 3C 279에 대한 VHE 감마선 관측을 수행하였으며, 66 GeV 이상에서 8.7σ의 유의미한 검출을 확보하였다.
• 관측된 VHE 스펙트럼과 동시에 측정된 고에너지(HE) 스펙트럼을 이용해 브로드-라인 영역(BLR) 광자장에 의한 감마선 흡수를 모델링하였다.
• 시간에 따라 변화하는 일점 렙톤 모델을 적용하여 동시다발적 스펙트럼 에너지 분포(SED)와 시간 단위 변동성을 재현하였다.
• 시간에 따라 변화하는 렙토-핵성 모델도 테스트하여 VHE 복사에 핵성 기여의 정도를 평가하였다.
• BLR 모델을 가정하고 광자-광자 쌍생성에 의한 광학적 두께를 통해 복사 영역이 블랙홀 중심으로부터의 거리를 유도하였다.
• 모델 예측 고에너지 중성미자 플럭스를 IceCube의 감도와 비교하여 탐지 가능성 평가를 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2015년 플레어 기간 동안 3C 279의 VHE 감마선 복사 영역이 중심 블랙홀에서 최소한 얼마나 떨어져 있는가?
• RQ2 일점 렙톤 모델이 2015년 플레어 기간 동안 관측된 동시다발적 SED와 시간 단위 변동성을 재현할 수 있는가?
• RQ3 일점 렙토-핵성 모델이 렙톤 모델보다 더 나은 데이터 적합도를 제공하는가?
• RQ4 모델 예측 고에너지 중성미자 플럭스는 IceCube에서 탐지 가능한가?
• RQ5 관측 자료는 로렌츠 불변 위반(LIV) 에너지 척도에 대해 어떤 제약 조건을 제공하는가?

주요 결과

• 2015년 플레어는 66 GeV 이상에서 8.7σ의 유의미한 검출을 보였으며, 이는 스펙트럼 및 흡수 분석을 정밀하게 수행할 수 있도록 하였다.
• VHE 감마선 스펙트럼과 BLR 광자장에 의한 흡수 분석을 통해 블랙홀 중심으로부터의 복사 영역 거리에 대해 95% 신뢰수준에서 r ≳ 1.7×10¹⁷ cm의 하한선을 도출하였다.
• 일점 렙톤 모델은 X선 스펙트럼을 재현하지 못하며, 매개변수 조정에도 불구하고 야간 2일차에 감마선 플럭스를 과도하게 예측한다.
• 렙토-핵성 모델 역시 매개변수 최적화를 거쳐도 플레어 최고점에서 야간 2일차로의 고에너지 성분 감소를 재현하지 못한다.
• 예측된 고에너지 중성미자 플럭스는 IceCube에서 탐지 가능할 정도로 너무 낮아, 이 채널을 통한 모델 간의 구분 능력은 배제된다.
• 유도된 로렌츠 불변 위반(LIV) 에너지 척도 하한선은 다른 플레어 AGN의 결과와 유사하며, 3C 279는 향후 체렌코프 망원경 배열(Cherenkov Telescope Array) 연구의 주요 대상이다.