[논문 리뷰] Search for GeV flare coincident with the IceCube neutrino flare

Yun-Feng Liang, Hao-Ning He외 4명|arXiv (Cornell University)|2018. 07. 13.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 3인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 2014년 9월에서 2015년 3월 사이에 감지된 아이스컵 뉴트리노 플레어가 이전에 가정된 바와 같이 블라자르 TXS 0506+056에서만 기인한 것은 아니며, 그와 가까이 위치한 매우 활성적인 FSRQ인 PKS 0502+049(1.2° 떨어져 있음)의 기여가 상당할 수 있음을 조사한다. 페르미-LAT 데이터 분석 결과, 동일 기간 동안 PKS 0502+049에서 강력한 게르마 빔 방사선 플레어가 관측되었으며, 이는 뉴트리노 7개 사건의 각도적 불확도 범위 내에 위치하므로, 뉴트리노 플레어에 대한 기여가 배제될 수 없으며, 이는 이전 분석에서 단일원인 가정을 도전하게 된다.

ABSTRACT

Recently the IceCube collaboration and 15 other collaborations reported the spatial and temporal coincidence between the neutrino event IceCube-170922A and the radio-TeV activity of the blazar TXS 0506+056. Their further analysis on 9.5 years of IceCube data discovered neutrino flare between September 2014 and March 2015, when TXS 0506+056 is however in "quiescent" state. We analyze the Fermi-LAT data in that direction, and find another bright GeV source PKS 0502+049, which is at an angle of $1.2^{\circ}$ from TXS 0506+056, with strong activties during the neutrino flare. No other bright GeV source was detected in the region of interest. Though PKS 0502+049 is $1.2^\circ$ separated from TXS 0506+056, it locates within the directional reconstruction uncertainties of 7 neutrinos, out of the 13 neutrino events during the neutrino flare. Together with the observed high flux of the $γ$-ray flare, it may be unreasonable to fully discard the (partial) contribution of PKS 0502+049 to the neutrino flare. The single source assumption used in the neutrino data analysis might need to be revisited.

연구 동기 및 목표

• TXS 0506+056가 플레어 기간 동안 침체 상태였음에도 불구하고, 아이스컵 뉴트리노 플레어(2014년 9월~2015년 3월)가 이 외의 천체에서 기인할 수 있는지 조사하기 위해.
• TXS 0506+056 방향의 페르미-LAT 데이터를 분석하여, 뉴트리노 플레어 기간과 겹치는 강력하고 플레어하는 게르마 빔 천체가 존재하는지 확인하기 위해.
• TXS 0506+056에서 1.2° 떨어져 있는 PKS 0502+049가 각도 재구성 불확도 내에 위치하고 있으며, 고에너지 게르마 빔 활동이 높아 관측된 뉴트리노 플레어에 중요한 기여를 할 수 있는지 평가하기 위해.
• 원래 아이스컵 분석에서 단일원인 가정이, PKS 0502+049와 같은 근접한 활성 천체의 오염 가능성으로 인해 잘못되었을 수 있는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 에너지 범위 100 MeV에서 500 GeV 사이의 페르미-LAT Pass 8 데이터에 대해 비구속적 최대우도 분석을 수행하였으며, 이는 2010년 5월부터 2018년 5월까지의 기간을 포함한다.
• PKS 0502+049 중심으로 반경 10°의 관심 영역(ROI)을 사용하였으며, 페르미-LAT FL8Y 천체와 확산 배경을 포함한 소스 모델을 설정하였다.
• TXS 0506+056와 PKS 0502+049의 광도 곡선는 전반적 피팅에서의 스펙트럼 기울기를 고정하고, 시간 간격 마다 전방 계수만을 변형시켜 유도하였다.
• 특정 시간 간격에서 테스트 통계치(TS) > 25인 소스의 경우, 감도 향상을 위해 스펙트럼 기울이 또한 변형 가능하도록 하였다.
• PKS 0502+049와 TXS 0506+056 사이의 각도적 간격은 1.2°로 측정되었으며, 뉴트리노 사건 13개의 방향 재구성 불확도를 평가하여 잠재적 중첩 여부를 분석하였다.
• 각 소스의 고에너지 뉴트리노 생성 잠재력 평가를 위해, 감마선 빛의 세기와 제트 특성 간 비교를 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 TXS 0506+056가 플레어 기간 동안 침체 상태였음에도 불구하고, 아이스컵 뉴트리노 플레어가 이 외의 천체에서 기인했을 수 있는가?
• RQ2 TXS 0506+056에서 1.2° 떨어져 있는 PKS 0502+049는 플레어 기간 동안 강력한 게르마 빔 활동을 보였기 때문에, 뉴트리노 플레어의 타당한 대체 또는 추가 기여원으로서 가능한가?
• RQ3 뉴트리노 사건 재구성의 각도적 불확도는 PKS 0502+049가 관측된 뉴트리노 플레어의 타당한 기여원으로 간주될 수 있도록 허용하는가?
• RQ4 PKS 0502+049에서 관측된 고에너지 게르마 빔 방사선 세기와 함께 BLR 및 높은 블랙홀 질량를 고려할 때, 이는 TXS 0506+056보다 훨씬 더 흡족한 핵반응 뉴트리노 생성 기여원이 될 수 있는가?
• RQ5 PKS 0502+049와 같은 근접한 활성 천체의 오염 가능성으로 인해, 원래 아이스컵 분석에서의 단일원인 가정이 잘못되었을 수 있는가?

주요 결과

• PKS 0502+049는 아이스컵 뉴트리노 플레어 기간(2014년 9월~2015년 3월) 동안 강력한 게르마 빔 방사선 플레어를 보였으며, 그 방사선 세기는 TXS 0506+056보다도 유의미하게 높았다.
• PKS 0502+049와 TXS 0506+056 사이의 각도적 간격은 1.2°이며, 이는 아이스컵 플레어에 포함된 13개 뉴트리노 사건 중 7개의 방향 재구성 불확도 범위 내에 포함된다.
• PKS 0502+049의 감마선 빛의 세기는 TXS 0506+056보다 약 두 개의 지수 차수 높으며, 브로드라인 영역(BLR)을 보유하고 있어 핵반응 및 뉴트리노 생성 잠재력이 높다는 것을 뒷받침한다.
• 플레어 기간 동안 PKS 0502+049와 연관된 뮤온 뉴트리노 수(Nνμ^obs)는 8개였으며, TXS 0506+056의 경우 13개였고, 이는 전자의 기여가 무시할 수 없음을 시사한다.
• PKS 0502+049의 고에너지 게르마 빔 활동과 그의 가까운 거리, BLR의 조합은 이가 뉴트리노 플레어의 중요한 기여원일 수 있음을 시사하며, 원래의 단일원인 해석을 도전한다.
• TXS 0506+056의 게르마 빔 방사선이 약 70% 정도 감쇠되었거나, 핵반응 외의 다른 과정에서 기인할 가능성도 배제할 수 없으며, 이는 이가 유일한 기여원이라는 주장을 더욱 약화시킨다.