[논문 리뷰] The Optical Properties of PKS 1222+216 During the Fermi Mission

Paul S. Smith, Gary D. Schmidt외 1명|arXiv (Cornell University)|2011. 10. 27.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 1인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 페르미 미션 기간 동안 z=0.435의 블라자 PKS 1222+216의 광학적 성질을 분석하여, 변동성이 있는 편광된 싱크로트론 연속스펙트럼과 안정된 비편광된 QSO 유사 성분으로 구성된 双성분 광학 스펙트럼을 밝혀냈다. 강한 감마선 및 광학 플레어가 있었음에도 불구하고 감마선과 광학 활동 간의 상관관계는 발견되지 않았으며, 이는 비열성 방출이 광학선 방출 영역에서 몇 파섹 떨어진 곳에서 발생함을 시사한다. 이로 인해 비열성 방출은 선 방출 기체와 분리되어 있다.

ABSTRACT

The optical properties of the z = 0.435 quasar PKS 1222+216 (4C+21.35) are summarized since the discovery of impressive gamma-ray activity in this source by Fermi/LAT. Unlike several other gamma-ray-bright blazars, there appears to be little connection between optical and gamma-ray activity. Spectropolarimetry shows this object to be a composite system with optical emission from both a polarized, variable synchrotron power-law and unpolarized light from a stable blue continuum source (+broad emission-line region) contributing to the observed spectrum. Spectrophotometry over a period of about two years does not detect significant variability in the strong, broad emission lines, despite large optical continuum variations. This suggests that the relativistic jet has little influence on the output of the broad emission-line region, possibly either because the highly beamed continuum ionizes only a small portion of the line-emitting gas, or the observed non-thermal continuum originates parsecs downstream from the base of the jet, further away from the central engine than the broad emission-line region.

연구 동기 및 목표

• 페르미 미션 기간 동안 PKS 1222+216의 광학적 거동, 특히 광학 플레어와 감마선 플레어 간의 상관관계 부재를 이해하기 위해.
• 특히 제트와 순환 에너지 공급을 받는 블라자 성분의 기여를 고려하여 광학 방출의 기원과 성질을 규명하기 위해.
• 광학 연속스펙트럼의 변화가 심한 반면 선 방출선의 변화가 없음에도 불구하고 제트의 비열성 방출과 광학선 방출 영역 간의 물리적 연결 고리를 조사하기 위해.
• 제트와 기저 QSO의 기여를 분리하기 위해 광학 스펙트럼 에너지 분포와 편광을 모델링하기 위해.
• 최근 테바론 감마선 방출이 관측된 것과 관련하여, 특히 감마선 빛을 내는 블라자에서 제트 형성과 방출 메커니즘에 대한 함의를 평가하기 위해.

제안 방법

• 스튜어드 천문대의 2.3m Bok 및 1.54m 쿠이퍼 망원경을 사용하여 PKS 1222+216에 대한 장기적인 스펙트로폴라리메트릭 및 스펙트로포어메트릭 모니터링을 수행하였다.
• 약 2년 간의 기간 동안 광학 흐름, 편광도(P), 위치각(θ)을 측정하였으며, 동시에 페르미/LAT로부터의 감마선 데이터를 확보하였다.
• 이중 성분 모델을 적용: 변동성이 있는 편광된 파워레인지 싱크로트론 성분(P₀ ~ 15%)과 안정된 비편광된 QSO 유사 연속스펙트럼 성분(강한 넓은 MgII 및 발머 선 포함).
• 관측된 편광을 비편광된 흐름을 빼서 진정된 편광(P₀)을 추정하였으며, 이는 최대 약 20%에 도달하였다.
• 스펙트럼 피팅을 통해 편광과 흐름의 파장 의존성을 분석하여, 파장이 짧아질수록 편광도(P)가 감소하는 것은 파란 QSO 성분에 의한 희석 때문임을 밝혀냈다.
• 광학 밝기, 색상, 편광 간의 상관관계 분석을 통해 제트의 물리적 기하학적 구조와 방출 위치를 추론하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 다른 감마선 빛을 내는 블라자들과는 달리 PKS 1222+216에서는 광학 플레어와 감마선 플레어 간에 관측된 상관관계가 없나요?
• RQ2 광학 편광의 기원은 무엇이며, 제트의 방출 메커니즘과 어떻게 관련되어 있나요?
• RQ3 왜 PKS 1222+216의 넓은 선 방출선은 광학 연속스펙트럼의 큰 변화에도 불구하고 흐름이 일정하게 유지되나요?
• RQ4 제트의 비열성 방출은 광학선 방출 영역과 중심 엔진에 비해 어디에 발생하나요?
• RQ5 이중 성분 모델(제트 + QSO)이 관측된 광학 스펙트럼 및 편광 상관관계를 설명할 수 있나요?

주요 결과

• PKS 1222+216의 광학 스펙트럼은 변동성이 있는 편광된 싱크로트론 파워레인지(α ~ -1.3)와 강한 넓은 MgII 및 발머 선을 가진 안정된 비편광 QSO 유사 성분의 초합으로 가장 잘 설명된다.
• 제트 성분의 진정된 편광도(P₀)는 약 15%이며 최대 약 20%에 도달하여 제트 내 강력한 자기장 정렬을 시사한다.
• 광학 연속스펙트럼의 변화가 약 2배에 이르는 동안에도 Hβ 및 Hγ 선의 흐름은 약 2년 간 일정하게 유지되었으며, 등가폭은 연속스펙트럼 밝기와 반비례하여 변화하였다.
• 편광도(P)는 파장이 짧아질수록 파란 비편광 QSO 성분에 의한 희석으로 감소하며, 이 성분의 명도는 약 V = ~16.2로 관측되었다.
• 감마선 흐름과 광학 흐름, 편광도, 편광 위치각 간에 유의미한 상관관계는 발견되지 않았으며, 12시간 이내의 동시 관측 결과에도 불구하고 마찬가지였다.
• 선의 변화가 없음은 제트의 비열성 연속스펙트럼이 광학선 방출 영역 기체의 소수만을 이온화하거나 중심 엔진에서 몇 파섹 떨어진 후방에 위치한 영역에서 발생함을 시사한다.