[논문 리뷰] What can the 2008/10 broadband flare of PKS 1502+106 tell us? Nuclear opacity, magnetic fields, and the location of gamma rays

V. Karamanavis, L. Fuhrmann외 8명|arXiv (Cornell University)|2016. 03. 14.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 35인용 수 15

한 줄 요약

이 연구는 2008/10 블라자르 PKS 1502+106의 백색광 플레어를 2.64에서 226.5 GHz 사이의 다중주파수 라디오 광도곡선을 사용하여 분석하며, 가우시안 프로세스 회귀와 이산 상관관계 분석을 통해 주파수 의존성 시간 지연을 측정한다. 결과는 코어가 제트 기준 4.1에서 10.2 파세크 사이에 위치한 충격 주도 플레어를 보이며, 자기장은 14에서 176 mG이며, γ선 방출은 제트 기준 1.9 ± 1.1 파세크 거리에서 발생함을 시사하며, 상당한 제트 가속을 수반하는 충격-제트 시나리오를 지지한다.

ABSTRACT

Context. The origin of blazar variability, seen from radio up to gamma rays, is still a heavily debated matter and broadband flares offer a unique testbed towards a better understanding of these extreme objects. Such an energetic outburst was detected by Fermi/LAT in 2008 from the blazar PKS 1502+106. The outburst was observed from gamma rays down to radio frequencies. Aims. Through the delay between flare maxima at different radio frequencies, we study the frequency-dependent position of the unit-opacity surface and infer its absolute position with respect to the jet base. This nuclear opacity profile enables the magnetic field tomography of the jet. We also localize the gamma-ray emission region and explore the mechanism producing the flare. Methods. The radio flare of PKS 1502+106 is studied through single-dish flux density measurements at 12 frequencies in the range 2.64 to 226.5 GHz. To quantify it, we employ both a Gaussian process regression and a discrete cross-correlation function analysis. Results. We find that the light curve parameters (flare amplitude and cross-band delays) show a power-law dependence on frequency. Delays decrease with frequency, and the flare amplitudes increase up to about 43 GHz and then decay. This behavior is consistent with a shock propagating downstream the jet. The self-absorbed radio cores are located between about 10 and 4 pc from the jet base and their magnetic field strengths range between 14 and 176 mG, at the frequencies 2.64 to 86.24 GHz. Finally, the gamma-ray active region is located at (1.9 +/- 1.1) pc away from the jet base.

연구 동기 및 목표

• z = 1.8385에 위치한 평탄한 스펙트럼 라디오 퀘이사인 PKS 1502+106의 2008/10 백색광 플레어의 물리적 기원을 이해하기 위해.
• 라디오 시간 지연과 γ선 광도곡선을 조합하여 γ선 방출 영역을 국소화하기 위해.
• 흡광도 기반 시간 지연과 등가분포 가정을 사용하여 제트를 따라 자기장 구조를 유추하기 위해.
• 관측된 주파수 의존성 플레어 지연과 진폭을 바탕으로 충격 모델을 시험하기 위해.
• 불균일하게 샘플링된 이산 블라자르 광도곡선을 분석하는 데 가우시안 프로세스 회귀의 유효성을 입증하기 위해.

제안 방법

• 2.64에서 226.5 GHz 사이의 12개 주파수에서 Effelsberg 100m 및 IRAM 30m 전파망원경을 사용해 다중주파수 복사선 밀도 모니터링을 수행하였다.
• 불균일하게 샘플링된 이산 라디오 광도곡선에서 매개변수를 모델링하고 추출하기 위해 가우시안 프로세스 회귀를 적용하였다.
• 다양한 주파수에서 플레어 최고점 간의 시간 지연을 정량화하기 위해 이산 상관관계 함수 분석을 사용하였다.
• 주파수 의존성 지연을 통해 시간 지연 코어 시프트를 유도하여 제트의 투과도 프로파일을 재구성하였다.
• 자기장 에너지 밀도와 입자 에너지 밀도가 등가분포함을 가정하여 각 코어 위치에서 자기장 강도를 유추하였다.
• 라디오 코어 위치와 γ선 지연을 조합하여 γ선 방출 영역이 제트 기준으로부터의 거리를 제약 조건으로 설정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 주파수 의존성 투과도로 추적된 PKS 1502+106의 동기복사 자기흡수 제트의 공간 구조는 어떻게 되는가?
• RQ2 γ선 방출 영역은 제트 기준 어디에 위치해 있으며, 이는 방출 메커니즘에 대해 어떤 함의를 갖는가?
• RQ3 제트를 따라 자기장 강도는 어떻게 변하며, 코어에서의 거리와 어떻게 관련되는가?
• RQ4 관측된 플레어 행동은 충격-제트 모델을 지지하는가? 그리고 제트 가속에 대해 무엇을 드러내는가?
• RQ5 가우시안 프로세스 회귀는 이산적이고 불균일하게 샘플링된 블라자르 광도곡선을 시간 영역 분석에 효과적으로 모델링할 수 있는가?

주요 결과

• 플레어 진폭은 약 43 GHz까지 증가한 후 감소함을 보이며, 제트 하류로 전파되는 충격을 나타낸다.
• 밴드 간 지연은 주파수 증가에 따라 감소하며, 주파수에 대한 거듭제곱 법칙 의존성과 일치하는, 투과도 지배의 충격 주도 플레어임을 시사한다.
• 86.24 GHz에서 2.64 GHz에서 각각 4.1 ± 1.1 파세크와 10.2 ± 1.2 파세크 거리에 단위 투과도 표면이 위치해 있다.
• 코어에서 자기장 강도는 2.64 GHz에서 14 mG에서 86.24 GHz에서 176 mG로 변화하며, 제트 기준 1 파세크 거리에서 평균 174 ± 55 mG이다.
• γ선 방출 영역은 제트 기준 (1.9 ± 1.1) 파세크 거리에 국소화되어 있으며, 넓은 선구역을 초월하여 외부 복사장(예: 적외선 터스)에 관여하는 역-컴프턴 과정을 지지한다.
• 관측된 시간 지연과 거듭제곱 법칙 행동은 감속하는 제트와 일치하지 않으며, 파세크 규모 제트에서 상당한 가속이 일어나는 시나리오를 지지한다.