[논문 리뷰] VERITAS detection of VHE emission from the optically bright quasar OJ 287

S. O’Brien|arXiv (Cornell University)|2017. 08. 07.

Astrophysics and Cosmic Phenomena인용 수 5

한 줄 요약

VERITAS는 2017년 초의 다파장 활동 증가 기간 동안 9.7σ의 유의수준으로 활성은하자 OJ 287으로부터 매우 높은 에너지(VHE) 감마선 방출을 검출하였으며, 이는 이 소스에 대한 첫 번째 VHE 검출이다. 시간 평균 VHE 스펙트럼은 스펙트럼 지수 Γ = 3.49 ± 0.28인 거듭제곱 법칙을 따르며, SED 분석은 밝은 상태 동안 역-컴프턴 피크 에너지가 더 높은 에너지로 이동한 것으로 나타나, 이전 관측과 비교해 방출 영역의 조건이 변화했음을 시사한다.

ABSTRACT

We report on the VERITAS detection of very-high-energy (VHE, $E > 100~\\mathrm{GeV}$) $\\gamma$-ray emission from the optically bright quasar OJ 287 which is located at a redshift of z = 0.306. OJ 287 has been observed to display regular optical outbursts with a period of approximately 12 years, with the last major optical outburst having occurred in 2015. To explain this periodicity, models involving a binary supermassive black hole system at the core of OJ 287, or a helical jet, have been developed. Motivated by elevated Swift-XRT count rates, VERITAS observed OJ 287 in February 2017, and detected the object at >5 standard deviations above background. This detection prompted further VERITAS, Swift-XRT and multiwavelength observations of the object. The results of the VERITAS observational campaign are presented.

연구 동기 및 목표

• OJ 287에서 VHE 감마선 방출을 검출하기 위해, 알려진 12년 주기의 광학적 폭발 주기를 가진 광학적으로 밝은 은하핵을 대상으로 한다.
• 특히 X선과 광학 활동이 증가한 기간 동안 OJ 287의 다파장 변동성을 조사한다.
• VHE 밝은 상태 동안 OJ 287의 스펙트럼 에너지 분포(SED)를 연구하고, 이전 관측, 특히 3FGL Fermi-LAT 스펙트럼과 비교한다.
• VHE 광도의 변동성과 X선 및 고에너지 감마선 활동 간의 상관관계를 평가한다.
• 특히 이중 초거대 블랙홀 시스템 또는 제트 불안정성에 기반한 VHE 방출 모델을 시험한다.

제안 방법

• VERITAS는 네 대의 12m 이미징 대기 캐릭터온 망원경으로 구성된 진열로, 2016년 12월부터 2017년 3월까지 OJ 287을 관측하였으며, Swift-XRT X선 레이트 상승에 의해 유도된 타겟팅 관측을 수행하였다.
• 데이터는 부드러운 스펙트럼 소스에 최적화된 부스팅 决定트리(BDT) 컷을 적용한 두 가지 표준 VERITAS 분석 패키지로 분석되었다.
• 과잉 카운트 지ap에 2차원 가우시안 피팅을 적용하여, 소스 위치가 OJ 287의 전파 위치와 일치하며 9.7σ의 유의수준을 확보하였다.
• 시간 평균 미분 에너지 스펙트럼은 거듭제곱 법칙 모델로 피팅되었으며, 다양한 관측 기간에 대해 스펙트럼 에너지 분포(SED)가 구성되었다.
• 스펙트럼 피팅은 VHE 데이터에 대해 거듭제곱 법칙 모델을, Swift-XRT 데이터에 대해 흡수된 거듭제곱 법칙 모델을 사용하였으며, 은하수 수소 열량 밀도는 2.49 × 10²⁰ cm⁻²로 고정되었다.
• 변동성은 세 관측 기간 동안 야간 단위로 빈도를 높인 VHE 광도 곡선에 대해 일정 광도 모델의 χ² 검정을 통해 평가되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 파장에서 활동이 증가한 기간 동안 OJ 287에서 VHE 감마선 방출이 검출되었는가?
• RQ2 VHE 밝은 상태 동안 OJ 287의 스펙트럼 에너지 분포(SED)는 이전에 관측된 SED, 특히 3FGL Fermi-LAT 스펙트럼과 어떻게 비교되는가?
• RQ3 VHE 광도의 변동 시계는 무엇이며, X선 및 고에너지 감마선 활동과 상관관계가 있는가?
• RQ4 관측된 VHE 방출은 이중 초거대 블랙홀 시스템 또는 OJ 287의 제트 불안정성과 관련된 모델을 지지하는가?
• RQ5 VHE 밝은 상태 동안 역-컴프턴 성분의 피크 에너지는 어디에 위치하는가? 이는 이전 관측과 비교해 어떻게 다른가?

주요 결과

• VERITAS는 9.7σ의 유의수준으로 OJ 287에서 VHE 감마선 방출을 검출하였으며, 최적 피팅 위치는 은하핵의 전파 좌표와 일치한다.
• 시간 평균 VHE 에너지 스펙트럼은 100 GeV에서 560 GeV의 에너지 범위에서 스펙트럼 지수 Γ = 3.49 ± 0.28인 거듭제곱 법칙 모델로 가장 잘 기술된다.
• VHE 밝은 기간(기간 2) 동안 SED는 3FGL Fermi-LAT 스펙트럼과 비교해 역-컴프턴 피크 에너지가 더 높은 에너지로 이동한 것으로 나타나, 방출 영역의 조건이 변화했음을 시사한다.
• 기간 2에서 기간 3으로의 VHE 광도는 60% 감소하였으며, 이는 Swift-XRT X선 계수율 감소와 상관관계가 있음을 보여, 다파장 변동성을 시사한다.
• VHE 광도의 변동성은 일정 광도 모델로는 잘 기술되지 않으며, 기간 2의 경우 χ²/도의 자유도 = 7.3/13이며, 전체 데이터셋에 대해서는 더 높은 값이 나타나, 변동성에 대한 약간의 증거를 제공한다.
• 기간 2 동안의 Fermi-LAT 스펙트럼은 로그-파라볼라 모델로 가장 잘 피팅되었으며, MeV에서 하위-GeV 범위에 피크가 있음을 시사하지만, 통계적 제약으로 인해 명백한 곡률는 관측되지 않았다.