[논문 리뷰] OVRO 40 m Blazar Monitoring Program: Location of the gamma-ray emission region in blazars by the study of correlated variability at radio and gamma-rays

W. Max-Moerbeck, J. L. Richards외 6명|arXiv (Cornell University)|2013. 03. 08.

Astrophysics and Cosmic Phenomena인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 OVRO 40 m 모니터링 프로그램과 Fermi-LAT 데이터를 사용하여 블라자르에서 감마선 방출의 공간적 위치를 분석함으로써, 15 GHz에서의 전파(15 GHz)와 감마선(100 MeV–200 GeV) 방출 간의 상관 변동성을 조사한다. 86개의 밝은 블라자르 중에서 오직 한 개의 소스(J0238+1636)만이 −30 ± 8일의 라그에서 >3σ 유의한 전파-감마선 상관관계를 보이며, 이는 감마선 방출이 전파 방출 측면에서의 제트 영역과 동일한 영역에서 기인할 수 있음을 시사하지만, 더 많은 데이터가 필요로 하여 전체 집단에 대해 이를 확인하기는 어렵다.

ABSTRACT

Blazars are powerful, variable emitters from radio to gamma-ray wavelengths. Even though the general picture of synchrotron emission at low energies and inverse Compton at the high energy end is well established, many important aspects of these remarkable objects are still not well understood. For example, even the location of the gamma-ray emission region is still not clearly established, with some theories locating it close to the black hole/accretion disk while others place it at parsec scales in the radio jet. Since mid-2007 we have carried out a large scale monitoring program at 15 GHz using the OVRO 40 m telescope. We are currently observing about 1700 blazars twice per week. The sample includes all the Fermi-LAT detected blazars north of declination -20 degrees. Here, we study the existence of correlated variability between these two bands for 86 sources bright enough to be detected weekly by LAT. The existence of correlated variability can be interpreted as an indication of a related spatial locations for the radio and gamma-ray emission, making the evaluation of its statistical significance a key goal of our program. A study of the statistical significance of these cross-correlations is presented along with a discussion of the Monte Carlo simulations used to evaluate them. More information about the conditions on the radio emission zone can be obtained through polarization monitoring which tells us about the configuration of the magnetic fields in this region. To study radio polarization variability we are building KuPol, a radio polarization receiver for the 12 to 18 GHz band that will replace the current total power receiver at the OVRO 40 meter telescope.

연구 동기 및 목표

• 블라자르에서 감마선 방출의 공간적 위치를 특정하는 것—흑구멍 근처의 내부 제트 영역과 파세크 규모 제트 영역 사이에서 아직 불확실하다.
• 전파 및 감마선 대역 간의 상관 변동성이 공통된 방출 영역을 나타내는지 테스트하는 것.
• 교차상관관계의 통계적 유의성 검정을 통해 방출 영역 간의 물리적 연관성을 추론하는 것.
• KuPol 수신기로 새로운 편광 측정을 통한 장기 모니터링을 향상시켜 자기장 진화를 연구하는 것.
• 주요 활성화 사건, 예를 들어 Mrk 421의 2012년 폭발을 포함한 분석을 확장하여 장기 스케일에서의 변동성 상관관계를 평가하는 것.

제안 방법

• 2008–2012년 기간 동안 주간으로 구분된 전파 광선도(15 GHz, OVRO 40 m)와 감마선 광선도(100 MeV–200 GeV, Fermi-LAT) 간의 교차상관 분석.
• 불균일한 샘플링을 처리하기 위해 이산 교차상관함수(DCF)의 사용.
• 난수 교차상관성 진폭의 분포를 추정하고 유의성 수준을 평가하기 위해 몬테카를로 시뮬레이션(20,000회 반복)의 활용.
• 파wer 스펙트럼 밀도(PSD) 모델링: P(f) ∝ 1/f^β, β_radio = 2.3 (OVRO 샘플에서), β_γ = 1.6 (밝은 BL Lacs 및 FSRQs에서).
• 시뮬레이션된 난수 상관관계에서 유도된 p-값을 통한 통계적 유의성 평가, 임계값은 2σ 및 3σ.
• 2012년 Mrk 421의 폭발을 포함한 확장된 광선도를 통합하여 라그 일관성을 평가하였지만, 사후 분석의 위험성으로 인해 주의가 필요하다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Fermi 탐지 블라자르에서 전파 및 감마선 변동성 간에 유의미한 시간 지연이 존재하는가, 이는 방출 영역 간의 물리적 연결을 시사하는가?
• RQ2 노이즈와 불균일한 샘플링을 고려한 후, 전파 및 감마선 광선도 간의 관측된 교차상관관계의 통계적 유의성은 무엇인가?
• RQ3 관측된 상관관계는 감마선 방출 영역의 위치를 제한할 수 있는가—흑구멍에 더 가까운가, 아니면 제트의 파세크 규모 거리에서인가?
• RQ4 주요 활성화 사건, 예를 들어 Mrk 421의 2012년 폭발은 관측된 전파-감마선 상관관계에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 향후 KuPol 수신기로 측정된 편광 변화는 방출 영역 내 자기장 진화를 추적하는 데 얼마나 기여하는가?

주요 결과

• 86개의 밝은 Fermi 탐지 블라자르 중에서 전파 및 감마선 대역 모두에서 감지 가능한 변동성을 보인 것은 63개에 그쳐, 교차상관 분석의 표본이 제한된다.
• J0238+1636라는 한 소스만이 −30 ± 8일의 라그에서 >3σ 유의한 교차상관 피크를 보였으며, 99.9% 신뢰수준에서 전파 및 감마선 방출 영역의 공통 위치 가능성을 시사한다.
• 추가로 여섯 개의 소스에서 >2σ 상관관계가 관측되었지만, 다섯 개는 노이즈가 높거나 느린 추세로 인해 신뢰할 수 없으며, J1504+1029만이 −40 ± 13일에서 98.5% 유의성으로 신뢰할 수 있는 후보로 남아 있다.
• 2012년 Mrk 421의 주요 폭발은 두 개의 유의미한 교차상관 피크를 보였다: 520일(98.8% 유의성)과 −40일(96.3% 유의성), 그러나 후자의 경우 사후적 통계적 편향의 위험이 있다.
• 전파 대역의 PSD 지수는 β_radio = 2.3로 측정되었고, 감마선 대역의 지수는 β_γ = 1.6로 이전의 인구 연구와 일치한다.
• 새로운 12–18 GHz 편광 수신기인 KuPol의 개발을 통해 향후 자기장 구조 및 그가 방출 변동성에 미치는 영향을 연구할 수 있게 될 것이다.