[논문 리뷰] Detection of very-high-energy gamma rays from the most distant and gravitationally lensed blazar QSO B0218+357 using the MAGIC telescope system

J. Sitarek, J. Becerra González외 8명|arXiv (Cornell University)|2015. 08. 19.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 3인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 매우 높은 에너지(VHE) 감마선을 QSO B0218+357에서 최초로 검출했다. QSO B0218+357는 적색편이 z=0.944인 중력 렌즈 효과를 겪는 블라자르이며, MAGIC 천체망원경 시스템을 통해 검출되었다. Fermi-LAT가 측정한 11.46일의 시간지연에 기반해 사전에 관측을 스케줄링함으로써, 활성 상태일 때 5.7σ의 검출을 달성하였다. 이는 현재까지 검출된 바 있는 가장 먼 VHE 천체이며, VHE 에너지에서 관측된 유일한 중력 렌즈 효과를 겪는 블라자르이다.

ABSTRACT

QSO B0218+357 is a blazar located at a cosmological redshift of z=0.944. It is gravitationally lensed by a spiral galaxy at a redshift of z=0.68. The blazar and its lens are well studied in the radio through X-ray bands, and several blazar outbursts were detected by Fermi-LAT at energies above 100 MeV. Strong gravitational lensing was invoked to explain the two components appar- ent in the radio and GeV light curves, separated by 10-12 days. In July 2014 another outburst was observed by Fermi-LAT, triggering follow-up observations with the MAGIC telescopes at energies above 100 GeV. The observations were scheduled at the expected time of arrival of the component delayed by the strong gravitational field of the lens, resulting in a firm detection of QSO B0218+357. Using the combined Fermi-LAT and MAGIC data sets, we report on variability of this unique blazar, the most distant among all currently known very high energy sources.

연구 동기 및 목표

• z=0.944에서 알려진 가장 먼 VHE 소스인 QSO B0218+357에서 매우 높은 에너지(VHE) 감마선 방출을 검출하는 것.
• Fermi-LAT가 측정한 중력 렌즈 시간지연(11.46±0.16일)을 활용하여, 검출 감도를 향상시키기 위해 표적 관측을 위한 MAGIC 관측을 스케줄링하는 것.
• 높은 방출 상태에서 이 극단적인 천체의 변동성 및 스펙트럼 특성을 연구하는 것.
• 우주론적 거리에서의 외부 배경 빛(EBL) 흡수 영향을 VHE 감마선에 대해 시험하는 것.

제안 방법

• 이전에 측정된 시간지연 기반으로, Fermi-LAT가 감지한 플레어의 지연된 성분이 도착할 것으로 예상되는 시간에 맞춰 MAGIC 관측을 스케줄링한 것.
• 17m 지름의 거울을 갖춘 업그레이드된 MAGIC 망원경을 사용하여 50 GeV 이상의 VHE 감마선을 검출하였으며, 50시간 동안 약 0.6% 크랩 광도의 감도를 확보하였다.
• 검출의 유의미성을 평가하기 위해 가능도 기반의 소스 유의성 검정(TS)을 적용하였으며, TS=9는 약 2.5σ, TS=25는 약 4.6σ에 해당한다.
• 가능도 비율 방법을 사용하여 광도와 상한선을 계산하였으며, 체계적 불확실성은 주로 에너지 스케일 캘리브레이션(15%)에 의해 결정된다.
• 0.3 GeV 이상의 Fermi-LAT 빛의 변화 곡선과 MAGIC 데이터를 융합하여 다중파장 변동성과 스펙트럼 진화를 비교하였다.
• 플레어의 특성 시간스케일을 추정하기 위해 MAGIC 빛의 변화 곡선에 가우시안 함수를 피팅하였으며, 그 결과 1일 이하의 값을 얻었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 강한 EBL 흡수로 인해 매우 높은 적색편이를 가진 블라자르 QSO B0218+357(z=0.944)에서 VHE 감마선 방출을 검출할 수 있는가?
• RQ2 Fermi-LAT 빛의 변화 곡선에서 관측된 11.46일의 시간지연을 활용해 지상 IACT 관측을 적시에 촉발할 수 있는가?
• RQ3 QSO B0218+357의 고방출 상태에서 VHE 에너지에서의 광도와 스펙트럼 행동은 어떠한가?
• RQ4 VHE 플레어의 변동성 시간스케일은 GeV 에너지 범위의 시간스케일과 비교해 어떻게 다른가? 이는 방출 메커니즘에 대해 어떤 함의를 갖는가?
• RQ5 중력 렌즈 효과는 관측된 VHE 광도와 그 변동성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 2014년 7월 25~26일 이틀간의 관측 동안, VHE 감마선 방출이 5.7σ의 유의미성으로 확실하게 검출되었다.
• 100 GeV 이상의 평균 VHE 광도는 (5.8 ± 1.6_stat ± 2.4_syst) × 10⁻¹¹ cm⁻² s⁻¹로 측정되었으며, 체계적 불확실성은 주로 15%의 에너지 스케일 불확실성에 기인한다.
• MAGIC 빛의 변화 곡선에 대한 가우시안 피팅 결과, VHE 플레어의 특성 시간스케일은 1일 이하로 나타났다.
• 지연된 성분 동안의 Fermi-LAT 광도는 평균 상태보다 20배 높았으며, 광자 지수는 침체 상태보다 유의미하게 더 딱딱했다.
• QSO B0218+357는 현재까지 검출된 바 있는 가장 먼 VHE 소스로, 적색편이 z=0.944이며, VHE 에너지에서 관측된 유일한 중력 렌즈 효과를 겪는 블라자르이다.
• Fermi-LAT의 시간지연 기반으로 사전에 관측을 스케줄링함으로써, 일반적으로 IACT 후속 관측의 지연을 극복하고 검출을 가능하게 하였다.