[논문 리뷰] VERITAS Observations of Mkn 501 in 2009

D. Q. Huang, Alexander Konopelko|arXiv (Cornell University)|2009. 12. 18.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 1인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 2009년 3월에서 6월 사이에 VERITAS가 BL Lac 물체 Mkn 501을 관측한 결과를 제시하며, 300 GeV 이상에서 1.80 × 10⁻¹⁰ cm⁻²s⁻¹에 이르는 유의미한 테바르드 감마선 플레어를 관측하였고, 이는 기준 플럭스의 6배에 해당한다. 플레어 기간 동안 스펙트럼 지수는 -2.58에서 -2.31로 부드러워졌지만, 측정 불확도로 인해 통계적으로 유의미한 스펙트럼 변화는 확인되지 않았다.

ABSTRACT

VERITAS is the high-sensitivity instrument of latest generation. It is often used for the short AGN monitoring exposures evenly distributed over entire observational season of a source of interest. Each of these exposures is long enough to detect the source at the flux level of about 1 Crab. During the 2009 observing season a number of exposures of Mkn 501 with VERITAS revealed variable TeV gamma-ray emission at the flux level eventually exceeding 2 Crab. The spectral and flux variability measurements in TeV gamma rays for the 2009 data sample of Mkn 501 are summarized in this paper.

연구 동기 및 목표

• VERITAS를 사용하여 2009년 관측 시즌 동안 Mkn 501의 테바르드 감마선 플럭스 및 스펙트럼 변화를 특성화하기 위해.
• 2009년 4월에서 5월 사이에 관측된 단기적 플레어의 성격을 조사하기 위해, 플럭스 변화 및 스펙트럼 에너지 분포를 포함하여.
• 표준 역-컴프턴 과정 기반 이론 모델과 관측된 스펙트럼 및 플럭스 변화를 비교하기 위해.
• 다중파장 캠페인에 기여하기 위해, 동시 광대역 모델링을 위한 고시간 해상도 테바르드 데이터를 제공하기 위해.
• 특히 플레어 상태에서 빠른 변화를 감지하는 데 있어 VERITAS의 감도 및 성능을 평가하기 위해.

제안 방법

• 하드웨어 문제로 인해 4개의 망원경 어레이를 사용한 20분 관측을 수행하였으며, 3개와 2개의 망원경 서브어레이도 활용하였다.
• 점원체 감도를 최적화하고 배경 트리거를 최소화하기 위해 와블링 포인팅 모드로 데이터를 확보하였다.
• 20분 단위로 미분 감마선 플럭스를 측정하였으며, 라이트 커브 제작을 위해 300 GeV 이상에서 통합 플럭스를 계산하였다.
• 기준 방출 상태(3- 및 4-망원경 데이터 사용)와 고플럭스 플레어 상태(2-망원경 데이터 사용)에 대해 별도의 스펙트럼 분석을 수행하였다.
• 미분 에너지 스펙트럼에 대해 거듭제곱 법칙에 지수적 커팅을 적용한 피팅을 실시하였으며, 기준 상태에서는 dNγ/dE ∝ E⁻².⁵⁸로, 플레어 상태에서는 E⁻².³¹로 나타났다.
• 스펙트럼 지수에 대한 통계적 및 체계적 불확도를 전파하여 스펙트럼 변화의 유의미성을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2009년 관측 시즌 동안 Mkn 501의 테바르드 에너지에서 시간 해상도 플럭스 변화는 어떠한가?
• RQ2 기록된 플레어 상태 동안 Mkn 501의 테바르드 감마선 스펙트럼은 안정 상태에 비해 에너지 의존적인 변화를 보이는가?
• RQ3 2009년 플레어 동안 관측된 플럭스 및 스펙트럼 변화는 상대론적 비틀림 제트 내 표준 역-컴프턴 방출 모델로 설명될 수 있는가?
• RQ4 2009년 플레어의 플럭스는 1997년 폭발과 같은 이전의 플레어와 비교해 어떻게 다를까?
• RQ5 플레어 기간 동안 스펙트럼의 부드러움(만약 존재한다면)은 전자 에너지 분포 또는 광학 두께의 변화를 나타내는가?

주요 결과

• 2009년 4월 30일과 5월 1일에 강력한 테바르드 감마선 플레어가 관측되었으며, 300 GeV 이상에서 피크 통합 플럭스는 (1.80 ± 0.25) × 10⁻¹⁰ cm⁻²s⁻¹로 측정되었다.
• 플레어 플럭스는 2009년 3월과 6월에 관측된 기준 플럭스보다 약 6배 높았다.
• 기준 상태에서의 미분 에너지 스펙트럼은 dNγ/dE = (8.7 ± 0.6) × 10⁻¹² (E/1 TeV)⁻².⁵⁸±⁰.⁰⁸±⁰.⁰⁶ cm⁻²s⁻¹TeV⁻¹로 피팅되었다.
• 플레어 기간 동안 스펙트럼은 부드러워졌으며, 스펙트럼 지수는 -2.31 ± 0.08 ± 0.06로 나타났고, 이에 따라 dNγ/dE = (2.7 ± 0.2) × 10⁻¹¹ (E/1 TeV)⁻².³¹ cm⁻²s⁻¹TeV⁻¹로 표현되었다.
• 스펙트럼 지수의 관측된 변화에도 불구하고 통계적 및 체계적 불확도로 인해 스펙트럼 변화의 확정적 진술은 불가능했다.
• 결과는 이전 VERITAS 및 지상 기반 Mkn 501 관측 결과와 일치하며, 이는 이 물체가 매우 변동성이 큰 테바르드 방출체임을 뒷받침한다.