[논문 리뷰] The $γ$-ray sky seen at X-ray energies I. Searching for the connection between X-rays and $γ$-rays in Fermi BL Lac objects

E. J. Marchesini, A. Paggi외 5명|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 06.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 131인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 351개의 Fermi BL Lac 물체에 대해 2400 ks의 Swift/XRT 데이터와 Fermi-LAT 데이터를 결합하여 X선과 γ선 방출 간의 관계를 조사한다. X선과 γ선 방출 간의 직접 상관관계는 발견되지 않았지만, X선 방출과 중간 적외선 색상 간에 유의미한 상관관계가 존재하여, 이 블라자르에서 제트 방출과-dust 재처리 간의 연관성을 시사한다.

ABSTRACT

BL Lac objects are an extreme type of active galactic nuclei (AGNs) that belong to the largest population of $γ$-ray sources: blazars. This class of AGNs shows a double-bumped spectral energy distribution that is commonly described in terms of a synchrotron self-Compton (SSC) emission process, whereas the low-energy component that dominates their emission between the infrared and the X-ray band is tightly connected to the high-energy component that peaks in the $γ$-rays. Two strong connections that link radio and mid-infrared emission of blazars to the emission in the $γ$-ray band are well established. They constitute the basis for associating $γ$-ray sources with their low-energy counterparts. We searched for a possible link between X-ray and $γ$-ray emissions for the subclass of BL Lacs using all archival Swift/XRT observations combined with Fermi data for a selected sample of 351 sources. Analyzing $\sim$2400 ks of Swift/XRT observations that were carried out until December 2018, we discovered that above the $γ$-ray flux threshold $F_γ\approx3 imes10^{-12}\, m{erg}\, m{cm}^{-2}\, m{s}^{-1}$, 96\% of all \emph{Fermi} BL Lacs have an X-ray counterpart that is detected with signal-to-noise ratio higher than 3. We did not find any correlation or clear trend between X-ray and $γ$-ray fluxes and/or spectral shapes, but we discovered a correlation between the X-ray flux and the mid-infrared color. Finally, we discuss on a possible interpretation of our results in the SSC framework.

연구 동기 및 목표

• Fermi BL Lac 물체, 즉 주요 γ선 소스인 클래스의 X선과 γ선 방출 간 잠재적 물리적 연관성을 탐색하기 위해.
• 공통된 제트 기원을 가진 BL Lac 물체에서 X선 방출이 γ선 방출의 신뢰할 수 있는 대체 지표가 될 수 있는지 테스트하기 위해.
• X선 방출과 중간 적외선 색상 간의 상관관계를 분석하여 제트--dust 상호작용의 역할을 조사하기 위해.
• 동기화 자기 복사(스스컴프턴, SSC) 프레임워크 내에서 관측된 상관관계의 의미를 BL Lac 스펙트럼 에너지 분포에 평가하기 위해.
• 적색편이와 블랙홀 질량이 서로 다른 BL Lac 하위군에서 빛의 강도와 방출 특성에 미치는 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• 351개의 Fermi BL Lac 물체에 대해 2400 ks의 Swift/XRT 관측 데이터를 체계적으로 분석하여 X선 방출과 스펙트럼 경도에 중점을 두었다.
• γ선 소스 카탈로그(3FGL)의 Fermi-LAT 데이터와 X선 데이터를 교차 매칭하여 3×10⁻¹² erg cm⁻² s⁻¹ 이상의 방출 임계값을 초과하는 대응체를 식별했다.
• AllWISE 조사의 중간 적외선 광도 측정치를 사용하여 상관관계 분석을 위한 [4.6]–[12] μm 색인덱스를 계산했다.
• 0.5–10 keV 밴드에서 X선 경도 비율(HR_X)을 계산하여 고에너지 및 저에너지 BL Lac 하위군 간의 스펙트럼 변화 및 다양성을 평가했다.
• 적색편이가 있는 77개의 소본에 대해 빛의 총합 강도와 블랙홀 질량을 계산하여 HBL 및 LBL 집단 간 비교를 수행했다.
• 관측된 상관관계의 유의미성을 검증하기 위해 통계적 검정(p < 1×10⁻⁷)을 적용하였다. 특히 X선 방출과 중간 적외선 색상 간의 상관관계에 초점을 맞췄다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Fermi BL Lac 물체에서 X선과 γ선 방출 간에 유의미한 상관관계가 있는가?
• RQ2 동일한 소스에서 X선 스펙트럼 형태가 γ선 스펙트럼 특성과 상관관계가 있는가?
• RQ3 BL Lac 물체에서 X선 방출과 중간 적외선 색상 간에 측정 가능한 연관성이 있는가?
• RQ4 고에너지(HBL)와 저에너지(LBL) BL Lac 하위군 간의 X선 및 γ선 성질은 어떻게 다를까?
• RQ5 빛의 총합 강도와 블랙홀 질량 분포는 HBL과 LBL 소스의 적응 상태에 대해 어떤 의미를 갖는가?

주요 결과

• γ선 방출이 3×10⁻¹² erg cm⁻² s⁻¹ 이상인 Fermi BL Lac 물체의 96%는 신호 대 잡음 비율이 3 이상인 감지 가능한 X선 대응체를 보이며, 이는 양 스펙트럼 대역 간 강력한 관측적 연관성을 확인한다.
• X선 방출과 γ선 방출 간의 유의미한 상관관계는 발견되지 않았고, X선과 γ선 스펙트럼 형태 간의 상관관계 역시 없었으며, 이는 SSC 모델에서 X선 방출이 직접적으로 γ선 방출을 추적하지 못함을 시사한다.
• X선 방출과 중간 적외선 [4.6]–[12] μm 색상 간에 매우 유의미한 상관관계(p < 1×10⁻⁷)가 발견되었으며, X선으로 더 밝은 BL Lac 물체는 중간 적외선에서 더 파란 색조를 띠어 제트-먼지 상호작용 또는 재처리의 가능성을 시사한다.
• HBL은 더 딱딱한 X선 스펙트럼을 보이며, 빛의 총합 강도에서 LBL보다 덜 밝고, 일반적으로 BZ 한계 이하에 위치하지만, 일부 LBL은 이를 초과하여 더 높은 적응률을 나타낸다.
• 적색편이가 있는 소본에서 LBL은 더 높은 빛의 총합 강도와 더 자주 BZ 한계를 초과하는 블랙홀 질량을 보이며, 이는 계속된 적응 상태를 시사한다. 반면 HBL은 더 진화된 낮은 적응 상태일 수 있다.
• X선 경도 비율은 중간 적외선 색상과 추세를 같이 하여 제트 방출과 먼지 재처리 간의 연결고리를 더욱 뒷받침하지만, 직접적으로 γ선 출력과는 관련이 없다.