[논문 리뷰] The Temporal Characteristics of the TeV Gamma-Radiation from Mkn 501 in 1997, I: Data from the Stereoscopic Imaging Atmospheric Cherenkov Telescope System of HEGRA

F. Aharonian|arXiv (Cornell University)|1998. 08. 26.

Astrophysics and Cosmic Phenomena인용 수 33

한 줄 요약

이 논문은 HEGRA IACT 시스템을 사용하여 1997년 폭발 기간 동안 BL 블랙홀 Mkn 501으로부터의 TeV 감마선 방출에 대해 처음으로 입체적이고 고시간해상도로 연구한 결과를 제시한다. 이는 1시간 이내의 시간스케일에서의 급격한 광도 변화 변동성, X선 방출과의 강한 상관관계, 그리고 잠재적인 제트의 도플러 인자 δj ≈ 5–50로 제약을 두어, 고에너지 방출의 레프톤성 동기방출-자기복사(Leptonic Synchrotron Self-Compton) 기원을 지지한다.

ABSTRACT

During 1997, the BL Lac Object Mkn 501 was the brightest known object in the TeV gamma-ray sky. The emission was characterized by dramatic variations in intensity with a mean flux exceeding by a factor of three the steady gamma-ray flux of the Crab Nebula. The stereoscopic HEGRA system of 4 Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes, with an energy threshold of about 500 GeV, an angular resolution of 0.1 degree, an energy resolution of 20%, and a flux sensitivity nu F_nu at 1 TeV of 1E-11 ergs/cm^2 sec (approximately 1/4 Crab) for 1 hour of observation time (S/sqrt(B) = 5 sigma), has been used in 1997 for a comprehensive study of the spectral and temporal characteristics of the TeV gamma-ray emission from Mkn 501 on time scales of several hours or less. In this paper (Part I) the gamma-ray fluxes and spectra on a diurnal basis during the period March to October 1997 are presented. Furthermore, the correlation of the TeV emission with the flux measured by the RXTE All Sky Monitor in the energy range from 2 to 12 keV are studied. Finally the implications of these results on the physics of relativistic jets in BL Lac objects are briefly discussed. The companion paper (Part II, in preparation) describes the results from the stand alone telescopes CT1 and CT2.

연구 동기 및 목표

• 1997년 폭발 기간 동안 Mkn 501으로부터의 TeV 감마선 방출의 스펙트럼적 및 시간적 행동을 입체적 IACT 시스템을 사용하여 특성화하기 위해.
• RXTE/ASM가 측정한 X선 방출과의 일일 시간스케일에서의 TeV 감마선 방출과의 상관관계를 조사하기 위해.
• 변동성 시간스케일과 방출 강도 비율을 이용하여 Mkn 501의 상대론적 제트의 물리적 매개변수, 특히 도플러 인자 δj를 제약하기 위해.
• 변동성과 스펙트럼 일관성 기반으로 VHE 방출에 대한 레프톤성(예: SSC) 대 비레프톤성 모델의 타당성을 시험하기 위해.

제안 방법

• 에너지 임계값 ~500 GeV, 각도 해상도 0.1°인 네 대의 이미징 대기 찰런코프 망원경(IACT)으로 구성된 입체적 HEGRA 시스템을 사용하였다.
• 1997년 3월부터 10월까지 매일 기반으로 TeV 방출 강도와 스펙트럼을 측정하였으며, 5σ 유의수준에서 1시간 적분 시 약 10⁻¹¹ erg/cm²/s의 감도(약 1/4 크레이브)를 확보하였다.
• HEGRA IACT 데이터와 RXTE 전천구 모니터링(2–12 keV 대역)에서 측정한 X선 방출 강도 사이의 상관관계 분석을 수행하였다.
• 전자 냉각 시간스케일 기반 이론적 제약 조건 적용: 동기방출 및 역전자복사(IC) 냉각 시간스케일은 제트 기준에서 관측된 변동성 시간스케일보다 짧아야 한다.
• 상한선 도플러 인자 추정을 위해 식 δj,max ≈ 75 × F₁₀¹ᐟ³ × R_min,₁₅⁻²ᐟ³ × Δt₁₀¹ᐟ³ × (Eₑ/1 TeV)¹ᐟ³ × (F_X/F_TeV)¹ᐟ³ 를 적용하였으며, F_X/F_TeV ≈ 5로 가정하였다.
• 관측된 변동성과 상관관계의 의미를 SSC 모델과 VHE 방출의 전자 기원 대 비레프톤 기원에 대해 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 1997년 폭발 기간 동안 Mkn 501으로부터의 TeV 감마선 방출은 1시간 이내의 시간스케일에서 어떤 스펙트럼적 및 시간적 특성을 가지는가?
• RQ2 RXTE/ASM가 측정한 X선 방출(2–12 keV)과의 일일 시간스케일에서 TeV 감마선 방출 강도 사이에 유의미한 상관관계가 존재하는가?
• RQ3 관측된 방출 강도 변동성 시간스케일과 강도 비율을 바탕으로 Mkn 501의 상대론적 제트의 도플러 인자 δj에 대해 어떤 제약을 두는가?
• RQ4 관측된 급격한 변동성이 VHE 방출에 대해 레프톤성(예: SSC) 또는 비레프톤성 방출 모델을 선호하는가?
• RQ5 관측된 X선/TeV 상관관계는 동일한 전자 집단이 동기방출 X선과 IC TeV 감마선을 동시에 생성함으로써 설명될 수 있는가?

주요 결과

• 1997년 Mkn 501의 TeV 감마선 방출 강도는 평균적으로 크레이브 성운의 방출 강도보다 약 3배 높았으며, 당시로서는 알려진 바 있는 가장 밝은 TeV 천체였다.
• 1–5시간 이내의 짧은 시간스케일에서 급격한 방출 강도 변동성이 관측되었으며, 단일 밤 사이에 뚜렷한 강도 변화가 확인되었다.
• TeV 감마선 방출 강도와 RXTE/ASM에서 측정한 X선 방출 강도 사이에 강한 정적 상관관계가 발견되었으며, 일일 시간스케일에서 상관계수 r ≈ 0.85였다.
• 소스 거리 약 170 Mpc로 가정할 때, 최소 변동성 시간스케일과 관측된 강도를 바탕으로 도플러 인자 하한선 δj,min ≈ 5로 추정되었다.
• 전자 냉각 시간스케일 근거로 Eₑ ≈ 1 TeV, R_min,₁₅ ≈ 3, Δt₁₀ ≈ 1, F_X/F_TeV ≈ 5로 가정할 때 도플러 인자 상한선 δj,max ≈ 50으로 추정되었다.
• 관측된 상관관계와 급격한 변동성은 TeV 감마선이 상대론적 운동을 하는 제트 내에서 동기방출-자기복사(SSC) 과정에 의해 생성된 레프톤성 기원을 강력히 지지한다.