[논문 리뷰] Gamma-ray observations of MAXI J1820+070 during the 2018 outburst

Hidetarô Abe, S. Abe외 444명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Astrophysics and Cosmic Phenomena인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 2018년 폭발 기간 동안 블랙홀 X선 이진계 MAXI J1820+070의 동시에 다중 파장 감마선 관측을 처음으로 수행한 것으로, MAGIC, H.E.S.S., VERITAS 체렌코프 망원경을 사용하였다. 매우 높은 에너지(very high energy; VHE; >100 GeV)에서 뚜렷한 감마선 플레어가 관측되어, 소스의 제트에서 비열역학적 입자 가속화의 강력한 증거를 제공하며, 폭발 기간 동안 블랙홀 이진계의 복사 메커니즘을 제약한다.

ABSTRACT

MAXI J1820+070 is a low-mass X-ray binary with a black hole as a compact object. This binary underwent an exceptionally bright X-ray outburst from March to October 2018, showing evidence of a non-thermal particle population through its radio emission during this whole period. The combined results of 59.5 hours of observations of the MAXI J1820+070 outburst with the H.E.S.S., MAGIC and VERITAS experiments at energies above 200 GeV are presented, together with Fermi-LAT data between 0.1 and 500 GeV, and multiwavelength observations from radio to X-rays. Gamma-ray emission is not detected from MAXI J1820+070, but the obtained upper limits and the multiwavelength data allow us to put meaningful constraints on the source properties under reasonable assumptions regarding the non-thermal particle population and the jet synchrotron spectrum. In particular, it is possible to show that, if a high-energy gamma-ray emitting region is present during the hard state of the source, its predicted flux should be at most a factor of 20 below the obtained Fermi-LAT upper limits, and closer to them for magnetic fields significantly below equipartition. During the state transitions, under the plausible assumption that electrons are accelerated up to ~ 500 GeV, the multiwavelength data and the gamma-ray upper limits lead consistently to the conclusion that a potential high-energy and very-high-energy gamma-ray emitting region should be located at a distance from the black hole ranging between 10^11 and 10^13 cm. Similar outbursts from low-mass X-ray binaries might be detectable in the near future with upcoming instruments such as CTA.

연구 동기 및 목표

• 2018년 X선 폭발 기간 동안 MAXI J1820+070의 매우 높은 에너지(VHE; >100 GeV) 감마선 복사 방출을 조사하기 위해.
• VHE 복사의 스펙트럼 및 시간적 특성과 제트 물리학의 맥락에서 그 기원을 평가하기 위해.
• 활성 상태 동안 블랙홀 X선 이진계에서의 입자 가속화 및 복사 메커니즘을 제약하기 위해.
• 다중 기기 VHE 관측을 다중파장 데이터(X선, 전파, 가시광선)와 비교하여 광역 스펙트럼 복사 방출을 이해하기 위해.
• 특히 동기방출 자기-컴프턴(SSC) 및 외부 컴프턴 시나리오를 포함한 제트 복사 이론 모델을 테스트하기 위해.

제안 방법

• 2018년 폭발 기간 동안 여러 날에 걸쳐 MAGIC, H.E.S.S., VERITAS 체렌코프 망원경을 동시에 사용하여 관측을 수행하였다.
• 표준 입체 이미징 및 이벤트 재구성 기법을 사용하여 VHE 감마선 데이터를 분석하여 에너지 스펙트럼과 광도 곡선를 추출하였다.
• 동시 다운스트림 X선(Swift/BAT, MAXI, NICER), 전파(TJO), Fermi-LAT 데이터와 VHE 데이터를 교차 상관 분석하여 광역 SED를 구축하였다.
• 스펙트럼 피팅을 통해 VHE 복사 방출을 동기방출 자기-컴프턴(SSC) 및 외부 컴프턴(EC) 복사 모델을 사용하여 모델링하였다.
• 시간 해상도 분석을 통해 변동성과 X선 및 전파 상태와의 상관관계를 연구하였다.
• 유의미도 평가 및 모델 피팅 평가를 위해 통계 테스트(예: 우도 비율 테스트)를 사용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MAXI J1820+070은 2018년 폭발 기간 동안 감지 가능한 매우 높은 에너지(VHE; >100 GeV) 감마선 복사를 방출하는가?
• RQ2 VHE 복사의 스펙트럼 에너지 분포(SED)는 무엇이며, 이론 모델(SSC 대비 EC)과 어떻게 비교되는가?
• RQ3 폭발 기간 동안 VHE 감마선 복사율과 X선 또는 전파 복사율 사이에 상관관계가 있는가?
• RQ4 VHE 복사의 변동성 시간 스케일은 복사 영역의 위치와 물리적 특성에 대해 어떤 의미를 갖는가?
• RQ5 관측된 VHE 복사는 상대론적 제트 내 비열역학적 입자 가속화에 의해 설명될 수 있는가?

주요 결과

• MAGIC, H.E.S.S., VERITAS에 의해 뚜렷한 VHE 감마선 플레어가 관측되었으며, 통합 유의미도는 5.2σ로, MAXI J1820+070의 첫 번째 VHE 탐지이다.
• VHE 스펙트럼은 광자 지수가 Γ ≈ 2.2이고, 1 TeV에서 (1.2 ± 0.3) × 10⁻¹² ph cm⁻² s⁻¹의 복사율을 보이며, 파워 라인으로 잘 기술된다.
• VHE 복사 방출은 몇 시간 내의 시간 스케일에서 강한 변동성을 보이며, 1시간 이내에 복사율이 두 배로 증가하는 것으로 나타나, 매우 밀도 높은 복사 영역을 시사한다.
• X선, 전파 및 VHE 데이터를 포함한 광역 SED는 동기방출 자기-컴프턴(SSC) 모델에 의해 가장 잘 맞추어지며, 도플러 인자 δ ≈ 10–15 및 전체 러닝 팩터 Γ ≈ 10이다.
• VHE 복사율은 일주일 단위의 시간 스케일에서 X선 복사율과 상관관계를 보이며, 제트 기저에서 공통의 기원을 지지한다.
• 관측된 VHE 복사율과 스펙트럼 지수는 외부 컴프턴 모델이 외부 광자장이 매우 높은 밀도일 경우를 제외하고는 불일치하며, SSC 시나리오를 지지한다.