[논문 리뷰] H.E.S.S. discovery of very-high-energy emission from the blazar PKS 0736+017: on the location of the $γ$-ray emitting region in FSRQs

M. Cerruti, J.-P. Lenain외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 08. 02.

Astrophysics and Cosmic Phenomena인용 수 4

한 줄 요약

H.E.S.S.는 매우 높은 에너지(VHE; E > 100 GeV) γ선 방출을 처음으로 관측했으며, 이는 평탄한 스펙트럼의 전파 퀘이사 PKS 0736+017(z = 0.189)에서 이루어졌으며, 이는 VHE FSRQ로 알려진 여섯 번째 천체임을 확인한다. 동시 관측된 Fermi-LAT 및 H.E.S.S. 데이터로부터의 투과도, 변동성 및 냉각 제약 조건을 사용하여, γ선 방출 영역이 브로드 라인 영역 근처에서 발생하지 않으며, 최소한 r > 8 × 10¹⁶ cm의 거리에 위치함을 규명하였으며, 이는 최소한의 전체 러닝 팩터 Γ ≳ 10을 의미한다.

ABSTRACT

With the installation of a new 28-m diameter imaging atmospheric Cherenkov telescope in the middle of the array, the H.E.S.S. instrument has entered since 2012 into its Phase II. The fifth large-size telescope is particularly important to lower the threshold energy of the array, and is thus a unique instrument to observe low-frequency-peaked blazars, such as flat-spectrum radio-quasars (FSRQs), which remain rare in the very-high- energy (VHE; E $>$ 100 GeV) $γ$-ray domain. In this contribution, we report on the discovery with the H.E.S.S. telescopes of VHE $γ$-ray emission from the FSRQ PKS 0736+017 (z=0.189). H.E.S.S. observations were triggered as a target-of-opportunity in February 2015 following the detection of $γ$-ray flaring activity in the MeV-GeV energy-band with Fermi-LAT. Significant VHE emission is detected with H.E.S.S. only during one of the nights of the observing campaign, showing at least night-by-night variability in the VHE regime. We discuss the location of the $γ$-ray emitting region within the relativistic jet, using opacity and variability constraints.

연구 동기 및 목표

• 다중파장 γ선 데이터를 사용하여 FSRQ PKS 0736+017의 상대론적 제트 내 γ선 방출 영역의 위치를 규명하는 것.
• 낮은 주파수 피크를 가진 FSRQ에서 오랫동안 애매하게 여겨진 제트 방출 영역에 대한 오랜 의문을 해결하는 것. 이는 VHE 영역에서 희귀한 천체이기 때문이다.
• 스펙트럼 및 변동성 제약 조건을 이용하여 γ선 생성 모델—단일 영역 또는 다중 영역에서의 생성—간의 경쟁을 시험하는 것.
• 투과도, 변동성 시간 스케일, 냉각 시간 스케일 제약 조건을 기반으로 최소한의 러닝 팩터 및 방출 반경을 결정하는 것.

제안 방법

• 2015년 2월 Fermi-LAT의 폭발 활동에 의해 유도된 대상-대상 관측 캠프를 통해 H.E.S.S. Phase II 데이터를 활용하였다.
• 감도 및 에너지 임계값 최적화를 위해 단일망원경(28m 망원경 전용) 및 입체망원경(2대 이상의 망원경) 구성 모두를 사용하여 분석을 수행하였다.
• Cherenkov 쇼어 영상 재구성 및 VHE 광자 유량 추출을 위해 ImPACT 및 모델 분석 체인을 적용하였다.
• γγ 쌍 생성 투과도를 사용하여, 브로드 라인 영역(BLR)에 대한 방출 영역의 위치를 제약 조건화하였으며, 이는 VHE 스펙트럼이 흡수에 의해 제한된다고 가정하였다.
• Fermi-LAT에서 관측된 약 12시간의 변동성 시간 스케일 τ ≈ 12시간을 사용하여, R ≈ cτδ/(1+z) 공식을 통해 방출 영역의 크기를 추정하였으며, 이를 제트의 전체 러닝 팩터 Γ 및 개방 각도 θ와 연결지었다.
• 냉각 시간 스케일 τ_c ≤ τ 조건을 적용하여 최대 에너지 손실률을 제약 조건화하였으며, 이를 Γ–r 평면 내 배제 영역으로 변환하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PKS 0736+017의 VHE 방출 및 MeV–GeV 폭발 활동을 고려할 때, 상대론적 제트 내 γ선 방출 영역은 어디에 위치해 있는가?
• RQ2 Fermi-LAT와 H.E.S.S.의 에너지 영역 사이에서 관측된 스펙트럼의 끊어짐은 브로드 라인 영역 내의 γγ 투과도에 기인한 것인가? 이는 방출 영역의 위치에 대해 어떤 함의를 갖는다?
• RQ3 관측된 변동성 시간 스케일과 콘덴세이션 제약 조건을 고려할 때, 일관된 최소한의 전체 러닝 팩터 Γ는 얼마인가?
• RQ4 냉각 시간 스케일 및 변동성 시간 스케일 제약 조건이 함께 작용할 경우, 블랙홀 근처 또는 브로드 라인 영역 내 방출 영역을 배제할 수 있는가?

주요 결과

• H.E.S.S.는 2015년 2월 19일에만 명백한 VHE γ선 방출을 관측하였으며, 이는 VHE 대역에서 야간 간의 강한 변동성을 시사한다.
• Fermi-LAT(MeV–GeV)와 H.E.S.S.(VHE) 에너지 영역 사이에서 관측된 스펙트럼의 끊어짐은 γγ 쌍 생성 투과도와 일치하며, 최소한의 방출 반경 r > 8 × 10¹⁶ cm를 의미한다.
• 투과도 제약 조건은 약 2 이하의 최대 투과도를 제시하며, 이는 브로드 라인 영역 내 방출 영역을 배제한다.
• 약 12시간의 변동성 시간 스케일은 상대론적 비스듬함(Doppler 인자 δ)을 가정할 경우 최소한의 전체 러닝 팩터 약 10을 암시한다.
• 냉각 시간 스케일 제약 조건이 변동성과 함께 작용할 경우, 고려된 러닝 팩터와 작은 반경을 가진 방출 영역은 배제되며, 이는 BLR를 초월한 위치에 방출 영역이 존재함을 더욱 뒷받ány힌다.
• 결과적으로 VHE 방출 영역은 브로드 라인 영역과-dusty 토러스를 모두 벗어나 있으며, r > 8 × 10¹⁶ cm에 위치한 밀도 높은 상대론적 이동 영역을 가진 단일 영역 방출 모델을 지지한다.