[논문 리뷰] Discovery of VHE emission from PKS 0447-439 with H.E.S.S. and MWL studies

A. Zech, B. Behera외 14명|arXiv (Cornell University)|2011. 05. 04.

Astrophysics and Cosmic Phenomena인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 H.E.S.S. 측광기 어레이를 사용하여 매우 높은 에너지(VHE) 감마선 방출을 PKS 0447-439라는 BL 블라자에서 처음으로 검출하였으며, 유의수준은 13.8σ이다. VHE 스펙트럼은 연약하다(광자 지수 Γ = 4.36 ± 0.49), 그리고 다중파장 모니터링 결과 VHE 대역이나 페르미 LAT 대역에서 관측되지 않은 빠른 X선 플레어가 확인되었으며, 이에 따라 소스의 적색편이에 대한 95% 신뢰도 상한선은 z < 0.53이다.

ABSTRACT

Very-high energy (VHE) emission has been detected from PKS 0447-439 with the H.E.S.S. Cherenkov telescope array. This blazar is one of the brightest hard-spectrum extragalactic objects in the Fermi bright source list. Its detection with H.E.S.S. triggered Target of Opportunity observations with the Swift and RXTE telescopes, which show rapid flaring in the X-ray band. The spectrum and light curve measured by H.E.S.S. are presented. Along with the Fermi LAT data it is possible to put an upper limit on the redshift of the source. Implications of the flux evolution are discussed briefly.

연구 동기 및 목표

• Fermi 밝은 천체 목록에 포함된 밝고 고적색편이를 가진 BL 블라자인 PKS 0447-439에서 VHE 감마선 방출을 검출하고 특성화하는 것.
• 활성도가 증가한 기간 동안 X선, 감마선, 가시광선 대역에서의 다중파장 변동성을 조사하는 것.
• 내재된 스펙트럼 가정 없이 페르미 LAT와 H.E.S.S. 데이터를 조합하여 PKS 0447-439의 적색편이에 대한 강력한 상한선을 도출하는 것.
• 변동성 시간스케일과 적색편이 상한선을 사용하여 소스 내 방출 영역의 물리적 매개변수를 제약하는 것.

제안 방법

• H.E.S.S.는 표준 힐라스 유형 분석보다 유의수준을 향상시키는 모델 분석 기법을 사용하여 2009년 11월부터 2010년 1월까지 13.5시간의 고품질 데이터를 수집하였다.
• VHE 스펙트럼은 정방향 피팅을 통해 추출되었으며, 최적의 피팅은 χ²/dof = 21.05/16로 최대우도 피팅 방법을 사용하여 힘의 법칙 모델을 도출하였다.
• Swift와 RXTE를 활용한 대상에 대한 기회 관측(ToO) 관측이 수행되어 H.E.S.S. 관측 기간 동안 동시 다중파장 모니터링이 가능해졌다.
• 적색편이 상한선은 페르미 LAT 데이터를 VHE 에너지로 외삽하고, [9]에서 제시된 모델을 사용하여 갈릴레이 배경 빛(EBL) 흡수를 보정한 후 측정된 H.E.S.S. 스펙트럼과 비교함으로써 유도되었다.
• 표준 흡수 계수와 열량 밀도(예: NH = 1.78 × 10²⁰ cm⁻²)를 사용하여 X선 및 가시광선 대역에서 은하수 흡수를 고려했다.
• 광도 곡선는 매일 기준으로 분할하고 일정한 광도 모델을 피팅하여 변동성 여부를 평가하였으며, χ²/ndf를 사용하여 유의수준을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PKS 0447-439에서 VHE 감마선 방출이 검출되었는가? 그 스펙트럼 및 광도 특성은 무엇인가?
• RQ2 관측 기간 동안 X선, 감마선, 가시광선 광도 곡선은 어떻게 상관관계가 있는가? 특히 X선 플레어 기간 동안은 어떻게 되는가?
• RQ3 외삽된 페르미 LAT 데이터와 측정된 H.E.S.S. 스펙트럼 간의 일치성에 기반하여 PKS 0447-439의 적색편이 상한선은 무엇인가?
• RQ4 MJD 55185(2009년 12월 20일)에 관측된 관측된 X선 플레어가 VHE 또는 페르미-LAT 대역에서 검출 가능한 변동성과 관련이 있는가?
• RQ5 관측된 변동성 시간스케일은 소스 내 방출 영역의 크기와 도플러 인자에 대해 어떤 제약을 가하는가?

주요 결과

• H.E.S.S.는 13.8σ의 유의수준으로 PKS 0447-439에서 VHE 감마선 방출을 검출하여 이가 VHE 소스로 확인되었다.
• VHE 스펙트럼은 연약하며, 광자 지수는 Γ = 4.36 ± 0.49이고, 1 TeV에서의 광도 노멀라이제이션은 (0.23 ± 0.11) × 10⁻¹² cm⁻² s⁻¹ TeV⁻¹이다.
• 2009년 12월의 250 GeV 이상의 일별 분할 광도는 (7.9 ± 1.9) × 10⁻¹² cm⁻² s⁻¹로, 11월과 1월에 비해 약간 증가한 경향을 보였다.
• 강한 X선 플레어가 관측되었음에도 불구하고, 페르미 LAT 광도 곡선이나 가시광선 대역에서 유의미한 변동성은 관측되지 않았다.
• 페르미 LAT와 H.E.S.S. 데이터를 조합한 결과, 내재된 스펙트럼 상승이 페르미 대역을 초과하지 않는다고 가정할 경우, 적색편이에 대한 95% 신뢰도 상한선은 z < 0.53이다.
• 적색편이 범위 z = 0.176에서 z = 0.53 사이에서, 하루 기준 X선 변동성으로부터 Rδ⁻¹ ≤ 1.7 × 10¹⁵ cm의 제약 조건이 도출되었으며, 이는 일반적인 BL 블라자 매개변수와 일치한다.