[논문 리뷰] Coordinated Fermi/Optical Monitoring of Blazars and the Great 2009 September Gamma-ray Flare of 3C 454.3

Paul S. Smith, Edward Montiel외 4명|ArXiv.org|2009. 12. 18.

Astrophysics and Cosmic Phenomena인용 수 96

한 줄 요약

이 연구는 스투어드 천문대의 2.3–1.5m 망원경을 사용하여 블라자르, 특히 2009년 9월 감마선 폭발 기간 동안의 좌표화된 광학 스펙트로폴라리메트릭 모니터링을 수행한다. 분석 결과, 블라자르가 광학적으로 밝고 강하게 변동성이 있었음에도 불구하고, 폭발 기간 내내 선형 투과도가 낮게 유지되었으며(보통 P < 5%), 짧은 기간 동안 높은 투과도 상태가 나타났다. 이는 복잡한 방출 영역의 구조나 감마선 폭발과 직접적으로 관련되지 않은 다중 성분이 존재할 가능성을 시사한다.

ABSTRACT

We describe the optical spectropolarimetric monitoring program at Steward Observatory centered around gamma-ray-bright blazars and the LAT Monitored Source List planned for Fermi Cycles 2-4. The large number of measurements made during Cycle 1 of the Fermi mission are available to the research community and the data products are summarized (see http://james.as.arizona.edu/~psmith/Fermi). The optical data include spectropolarimetry at a resolution of ~20 A, broad-band polarization and flux measurements, and flux-calibrated spectra spanning 4000-7600 A. These data provide a comprehensive view of the optical variability of an important sample of objects during the Fermi Era. In addition to broad-band flux and linear polarization monitoring, the spectra allow for the tracking of changes to the spectral index of the synchrotron continuum, importance of non-synchrotron emission features, and how and when the polarization varies with wavelength, an important clue as to the structure of the emission region or the identification of multiple nonthermal components. As an illustration, we present observations of 3C 454.3 obtained in 2009 September during an exceptionally bright gamma-ray flare. The blazar was optically bright during the flare, but except for a few short periods, it showed surprisingly low polarization (P &lt; 5%). Opportunities exist within the Fermi research community to coordinate with our long-term optical monitoring program toward the goal of maximum scientific value to both the Fermi and associated radio VLBI monitoring of blazars.

연구 동기 및 목표

• 동시 다파장 모니터링을 통해 블라자르에서 감마선과 광학 방출 간의 물리적 연관성을 조사하기 위해.
• 특히 2009년 9월 3C 454.3의 뚜렷한 폭발 기간 동안 광학 흐름 및 투과도의 변동성이 감마선 폭발과 관련이 있는지 확인하기 위해.
• 고해상도 스펙트로폴라리메트리로 동기방출 연속체, 넓은 방출선, 그리고 빅 블루 번프와 같은 비동기방출 성분의 기여를 분리하기 위해.
• Fermi 임무 시대의 공개 가능하고 고빈도의 광학 데이터 세트를 제공하여 블라자르 변동성의 다파장 연구를 지원하기 위해.
• Fermi-LAT 및 VLBI와의 향후 연계 연구를 가능하게 하기 위해 장기적이고 고신호대비비율(S/N)의 광학 모니터링 기반을 제공하기 위해.

제안 방법

• 스투어드 천문대의 2.3–1.5m 망원경을 사용해 Fermi 모니터링 대상 블라자르의 매일 밤 스펙트로폴라리메트릭 관측을 수행하였으며, 스펙트럼 해상도는 약 20 Å였다.
• 4000–7600 Å 범위에서 전체 밴드 흐름, 선형 투과도(P), 투과도 위치각(θ)을 측정하여 파장에 따른 투과도 분석이 가능하도록 하였다.
• 스펙트럼 보정 흐름을 확보하여 스펙트럼 지수 변화를 추적하고, Mg II 및 빅 블루 번프와 같은 방출/흡수 특징을 식별하였다.
• Fermi-LAT의 광선 곡선과 비교하여 감마선 폭발과 광학 흐름/투과도 변화 간의 상관관계를 탐색하였다.
• 전체 해상도 스펙트럼을 사용해 투과된 흐름 성분을 분리하고, 비투과된 성분과 독립적으로 동기방출 방출의 스펙트럼 지수를 결정하였다.
• 파장에 따른 투과도 행동(P(λ), θ(λ))을 분석하여 방출 영역 기하학과 비동기성 성분의 존재를 추론하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 3C 454.3에서 감마선 폭발의 최고점과 광학 흐름 또는 투과도 변동성 간에 직접적인 물리적 연관성이 존재하는가?
• RQ2 2009년 9월 폭발 기간 동안 광학 동기방출 연속체의 스펙트럼 지수는 어떻게 변화하였으며, 이는 방출 영역에 대해 무엇을 시사하는가?
• RQ3 높은 흐름과 강한 변동성에도 불구하고 관측된 낮은 광학 투과도(P < 5%)는 무엇을 원인으로 하는가?
• RQ4 파장에 따른 투과도(P(λ), θ(λ))는 빅 블루 번프 또는 은하계 성별 빛과 같은 다중 방출 성분의 존재를 드러내는가?
• RQ5 고흐름 상태와 저흐름 상태 간에 투과된 흐름 스펙트럼의 특성은 어떻게 변화하며, 이는 주로 작용하는 방출 메커니즘에 대해 무엇을 시사하는가?

주요 결과

• 2009년 9월 감마선 폭발 기간 동안 3C 454.3는 V ≈ 14.05의 광학 흐름 최고치를 기록하였으며, 안정 상태에 비해 뚜렷한 밝아짐을 보였다.
• 높은 광학 흐름에도 불구하고, 대부분의 폭발 기간 동안 광학 선형 투과도는 낮게 유지되었으며(P < 5%), 짧은 기간 동안 약 10%로 상승하고 한 번은 약 19.7%의 투과도 상태를 기록하였다.
• 투과도 위치각(θ)은 폭발 기간 동안 약 150°로 비교적 안정되어 있었으며, 미세한 변동 외에는 변화가 없었으며, 이는 방출 영역 내 자기장 방향이 안정되어 있음을 시사한다.
• 스펙트럼 분석 결과, 뚜렷한 광학 스펙트럼은 안정 상태보다 훨씬 빨간색이었으며, 이는 강한 동기방출 연속체가 주로 흐름을 지배하고 있음을 나타내었고, 이는 Mg II 방출선을 억압하였다.
• 반대로, 2009년 1월 30일의 어두운 상태에서는 스펙트럼이 더 파란색이었으며 거의 투과도가 없었으며(P < 1%), 이는 빅 블루 번프가 연속체를 지배하고 있어 파장에 따른 투과도 특징을 유도하고 있음을 일치시켰다.
• 중간 밝기 상태에서 관측된 파장에 따른 투과도 특징(P는 파란색에서 감소하고, θ는 파장에 따라 일정함)은 빅 블루 번프의 특징적인 특성으로, 이는 빅 블루 번프의 존재와 그가 투과된 스펙트럼에 미치는 영향을 확인하였다.