[논문 리뷰] Log-parabolic spectra and particle acceleration in blazars - II: The BeppoSAX wide band X-ray spectra of Mkn 501

E. Massaro, M. Perri외 3명|ArXiv.org|2004. 05. 07.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 26인용 수 51

한 줄 요약

이 연구는 5년에 걸친 고에너지 피크를 가진 BL Lac 물체 Mkn 501의 BeppoSAX X선 관측을 분석하여, 모든 빛의 세기 상태에서 X선 스펙트럼이 가장 잘 설명되는 것은 로그-파라볼릭 법칙임을 밝혀냈다. 동기방출 피크 에너지와 광도 사이의 강한 상관관계(E_peak ∝ F_b^{1.4})와 1997년 폭발 기간 동안의 경량 X선 초과 현상은 두 성분으로 구성된 복사 모델을 시사하며, 이는 83–140 keV에서 피크를 이룬 변동성이 큰 고에너지 성분을 포함한다. 이는 단순한 러프트 인자 변화를 넘어서는 복잡한 입자 가속 과정을 시사한다.

ABSTRACT

We present the results of a spectral and temporal study of the complete set of BeppoSAX NFI (11) and WFC (71) observations of the BL Lac object Mkn 501. The WFC 2-28 keV data, reported here for the first time, were collected over a period of about five years, from September 1996 to October 2001. These observations, although not evenly distributed, show that Mkn 501, after going through a very active phase from spring 1997 to early 1999, remained in a low brightness state until late 2001. The data from the LECS, MECS and PDS instruments, covering the wide energy interval 0.1-150 keV, have been used to study in detail the spectral variability of the source. We show that the X-ray energy distribution of Mkn 501 is well described by a log-parabolic law in all luminosity states. This model allowed us to obtain good estimates of the SED synchrotron peak energy and of its associated power. The strong spectral variability observed, consisting of strictly correlated changes between the synchrotron peak energy and bolometric flux, suggests that the main physical changes are not only due to variations of the maximum Lorentz factor of the emitting particles but that other quantities must be varying as well. During the 1997 flare the high energy part of the spectrum of Mkn 501 shows evidence of an excess above the best fit log-parabolic law suggesting the existence of a second emission component that may be responsible for most of the observed variability.

연구 동기 및 목표

• BeppoSAX 데이터를 사용하여 Mkn 501의 0.1–150 keV 에너지 범위에서 스펙트럼 및 시간적 변화를 조사하기.
• Mkn 501의 SED에서 동기방출 피크에 대해 표준 파워 루프 모델보다 로그-파라볼릭 스펙트럼 모델이 더 나은 피팅을 제공하는지 테스트하기.
• 스펙트럼 변화가 상대론적 전자의 최대 러프트 인자 변화에 의해만 유도되는지 아니면 추가 물리적 매개변수의 필요성을 판단하기.
• 동시 다중 기기 데이터를 사용하여 X선 대역에서 다중 복사 성분의 존재, 특히 1997년 폭발 기간에 대해 탐색하기.
• 로그-파라볼릭 성분을 사용한 SED 모델링과 옵티컬 데이터 비교를 통해 관측된 스펙트럼 곡률과 변화의 물리적 기원을 제약 조건 설정하기.

제안 방법

• BeppoSAX의 11개의 정렬된 NFI 관측(LECS, MECS, PDS)과 71개의 우연적 WFC 탐지 결과를 분석하여 각각 0.1–150 keV 및 2–28 keV 범위를 커버함.
• 세 가지 매개변수인 강도(K), 곡률(b), 피크 에너지(E_peak)로 정의된 로그-파라볼릭 스펙트럼 모델을 X선 에너지 분포에 피팅함.
• 특히 1997년 폭발 기간 동안 관측 간에 로그-파라볼릭 매개변수를 변화시켜 스펙트럼 변화를 모델링함.
• 30 keV 이상의 경량 X선 초과 현상을 설명하기 위해 주성분(LE)에 두 번째 로그-파라볼릭 성분(HE)을 추가하여 이원성 모델을 테스트함. 이 성분은 별개의 피크 에너지와 정규화를 가짐.
• 관측된 광도 변화를 사용하여 HE 성분의 매개변수를 제약 조건 설정하고, 총 SED와의 일관성을 유지함. 이 과정에서 LE 성분의 곡률과 정규화는 중간 정도로 변동되도록 유지함.
• 이원성 모델을 단일 성분 피팅과 비교하고, 관측된 E_peak–광도 상관관계에 미치는 영향을 평가함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Mkn 501의 X선 스펙트럼 에너지 분포는 다양한 빛의 세기 상태에서 일관되게 로그-파라볼릭 법칙을 따르는가?
• RQ2 관측된 스펙트럼 변화의 배경이 되는 물리적 메커니즘은 무엇인가? 특히 동기방출 피크 에너지와 볼로메트릭 광도 사이의 강한 상관관계(E_peak ∝ F_b^{1.4})에 기인한 원인은 무엇인가?
• RQ3 1997년 폭발 기간에 관측된 경량 X선 초과 현상은 단일 로그-파라볼릭 성분으로 설명할 수 있는가, 아니면 추가적인 복사 성분이 필요한가?
• RQ4 다른 피크 에너지와 정규화를 가진 이원성 복사 모델로 관측된 스펙트럼 곡률과 광도 변화를 재현할 수 있는가?
• RQ5 1997년 폭발 기간 동안 고에너지 성분(HE)의 매개변수가 어떻게 변화하는가? 이는 입자 가속 과정에 대해 어떤 함의를 갖는가?

주요 결과

• Mkn 501의 X선 SED는 모든 빛의 세기 상태에서 로그-파라볼릭 법칙으로 잘 설명되며, 피크 에너지(E_peak)와 광도(F_b) 사이에 강한 상관관계가 존재하여 E_peak ∝ F_b^{1.4}로 스케일링된다.
• 1997년 폭발 기간 동안 스펙트럼의 고에너지 부분(30 keV 이상)은 최적 피팅된 로그-파라볼릭 모델을 크게 초월하는 현저한 초과를 보이며, 두 번째 복사 성분이 존재함을 시사한다.
• 고에너지 성분(HE)은 83 keV에서 140 keV 사이에서 피크를 이룬다. 정규화는 폭발 기간 동안 약 25배 증가하는 등 극적으로 변화하지만, 곡률(b ≈ 0.35)은 거의 일정하게 유지된다.
• 저에너지 성분(LE)은 약 20% 정도의 중간 정도의 광도 증가를 보이며, 피크 에너지는 0.5–5 keV 사이에 위치하고 곡률 매개변수(a ≈ 1.68, b ≈ 0.18)는 1997년 데이터와 일관된다.
• 피크 에너지가 약 1–5 keV인 성분과 83–140 keV에서 피크를 이룬 성분을 포함하는 이원성 모델은 관측된 SED에 매우 우수한 피팅을 제공하며, 특히 경량 X선 초과 현상을 잘 설명한다.
• 두 성분 간의 곡률(b) 값이 유사하므로, 이는 유사한 물리적 조건에서 기인한 것으로 보이며, 서로 다른 피크 에너지와 광도에도 불구하고 동일한 가속 메커니즘이 작용했을 가능성을 암시한다.