[논문 리뷰] Observation of the extremely bright flare of the FSRQ 3C279 with H.E.S.S. II

C. Romoli, M. Zacharias외 6명|arXiv (Cornell University)|2017. 08. 02.

Astrophysics and Cosmic Phenomena인용 수 7

한 줄 요약

H.E.S.S. II는 2015년 3C 279의 매우 밝은 감마선 플레어를 매우 높은 에너지(VHE, >66 GeV)에서 2.2시간의 실제 관측 시간 동안 단일 구성 관측을 통해 8.7σ의 유의성로 검출하였다. 급격한 VHE 스펙트럼(Γ = 4.2 ± 0.3)과 다중파장 데이터는 방출 모델을 제약하며, 양성자 및 뮤온의 싱크로트론 방출을 포함하는 핵반성 시나리오를 지지하며, 양자 중력 스케일에 대한 강력한 제약을 제공한다. 이는 모델에 따라 1.7–3.8 × 10¹⁷ GeV 범위이다.

ABSTRACT

In June 2015, the Flat Spectrum Radio Quasar 3C 279 underwent an extremely bright gamma-ray flare, with an increase of the flux above 100 MeV by a factor 10 in less than 1 day, revealing an intrinsic variability timescale of 2 minutes as detected by the Fermi-LAT. We present results of target of opportunity observations with the H.E.S.S. experiment on this source over the nights around the peak of the outburst. The H.E.S.S. data were analysed with mono and stereo chains. Thanks to the extreme brightness of the source at GeV energies, it was possible to obtain data from Fermi-LAT, strictly simultaneous to the H.E.S.S. observation. Simultaneous and quasi-simultaneous observations at optical and X-ray energies were gathered to reconstruct the multi-wavelength spectrum helping to constrain theoretical models describing the flare. The H.E.S.S. observation during the second night, using H.E.S.S. II MONO data, lead to a clear detection of the source in about 3 hours of live-time. The H.E.S.S. results were also used to derive limits on the Quantum Gravity scale under the assumption of Lorentz Invariance Violation. Furthermore, since FSRQs possess intense optical photon fields surrounding the central region near the black hole, the VHE data allows constraints on the location of the emitting region to be derived in order that internal absorption be avoided. The detection of VHE emission from the powerful flare of the FSRQ 3C 279 by H.E.S.S. II can provide unique insights into the physical properties of this class of blazar, thanks in part to the presence of simultaneous and quasi-simultaneous datasets at other wavelengths. Due to the high redshift of the source (z=0.54), it was also possible to derive strong constraints on the Quantum Gravity mass scale.

연구 동기 및 목표

• 2015년 GeV 플레어 기간 동안 H.E.S.S. II를 사용하여 FSRQ 3C 279의 극단적인 VHE 감마선 방출을 연구하기 위해.
• 은하간 배경 빛(EBL) 흡수와 내부 광자장 흡수를 고려하여 VHE 방출 영역의 위치를 제약하기 위해.
• Fermi-LAT, Swift, 및 광학/X선 관측소로부터의 동시 다중파장 데이터를 사용하여 핵반성 및 렙톤 방출 모델을 시험하기 위해.
• 에너지 의존성 시간 지연을 탐색하여 러렌츠 불변성 위반(LIV)에 기반한 양자 중력 스케일에 대한 제약을 도출하기 위해.

제안 방법

• H.E.S.S. II는 플레어 최고점 기간 동안 CT5(28 m 천체망원경)의 단일 트리거 모드를 사용하여 대상-관측 관측을 수행하여 100 GeV 이하의 낮은 에너지 임계값을 달성하였다.
• 정확성과 감도 향상을 위해 단일 및 스테레오 트리거 체인을 모두 사용하여 데이터를 분석하였다.
• 100 MeV 이상의 동시 Fermi-LAT 데이터 및 준동기적 Swift X선 및 광학 광도 곡선를 사용하여 광역 스펙트럼 에너지 분포(SED)를 구성하였다.
• 내재된 소스 스펙트럼를 추론하기 위해 EBL 흡수를 Franceschini 등(2008)의 모델을 사용하여 VHE 스펙트럼를 보정하였다.
• 에너지 의존성 시간 지연을 탐색하기 위해 가능도 기반 방법을 적용하여 선형 및 이차 광속-에너지 의존성 하에서 LIV 효과를 시험하였다.
• 내부 흡수를 피하기 위해 블랙홀 근처의 밀도 높은 광자장에서의 투명성 조건을 가정하여 최소 소스 거리 기반으로 방출 영역 거리를 추정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 EBL 흡수 보정 후 3C 279의 VHE 방출의 내재된 스펙트럼 형태는 무엇인가요?
• RQ2 내부 광자장 흡수 제약 조건을 고려할 때, 중심 블랙홀에 비해 VHE 방출 영역은 어디에 위치해 있나요?
• RQ3 동시 다중파장 SED(GeV에서 TeV 에너지 범위)를 설명하는 데 있어 렙톤 모델과 핵반성 모델 중 어느 것이 더 적합합니까?
• RQ4 관측된 VHE 방출과 그 시간적 행동을 통해 러렌츠 불변성 위반 및 양자 중력 스케일에 대한 제약을 설정할 수 있나요?

주요 결과

• H.E.S.S.는 66 GeV 이상에서 2.2시간의 실제 관측 시간 동안 8.7σ의 유의성로 3C 279를 검출하여 플레어 기간 동안 소스의 극도로 밝은 상태임을 확인하였다.
• 내재된 VHE 스펙트럼는 최적으로 Γ = 4.2 ± 0.3의 광자 지수를 가진 멱법칙으로 적합되었으며, 급격한 스펙트럼을 나타내었다.
• EBL 흡수 보정 후, Fermi-LAT와 H.E.S.S.의 공동 SED는 고에너지 피크가 플레어를 지배하며, 저에너지 싱크로트론 피크의 변화는 최소한임을 보여주었다.
• 내부 흡수를 피하기 위해 방출 영역은 중심 엔진으로부터 최소 10¹⁷ cm 이상 떨어져 있어야 한다.
• GeV 에너지에서 양성자 싱크로트론 방출과 TeV 에너지에서 뮤온 싱크로트론 방출을 포함하는 핵반성 모델은 다중파장 데이터를 성공적으로 기술하지만, 렙톤 모델은 VHE 플럭스를 재현하지 못한다.
• 에너지 의존성 시간 지연은 유의미하게 관측되지 않았으며, 선형(지속성) 및 초광속(상위광속) 모델 기반 95% 신뢰수준에서 양자 중력 스케일에 대한 제약이 1.7 × 10¹⁷ GeV(선형, 지속성) 및 3.8 × 10¹⁷ GeV(선형, 초광속)로 도출되었으며, 이는 이전의 GRB 및 AGN 결과와 일치한다.