[논문 리뷰] X-ray variability of GeV gamma-ray emitting radio galaxy NGC 1275

Y. Fukazawa, Kensei Shiki외 3명|arXiv (Cornell University)|2016. 08. 12.

Astrophysics and Cosmic Phenomena인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 2006–2015년 동안 Suzaku/XIS 및 Swift/XRT 자료를 활용하여 라디오은하 NGC 1275의 X선 및 지르메가전자볼트(GeV) 감마선 변동성을 분석한다. 2013–2015년 동안 X선 및 GeV 감마선 플럭투에이션 간 상관관계가 관측되어 제트 기원 방출을 시사한다. 약 ~5배의 증가와 스펙트럼 기울기의 변화(광자 지수 ~2 대비 ~1.7)를 보이는 X선 플레어는 강화된 자기장 또는 전자 에너지로 인한 제트 내의 플레어 영역에서 발생하는 싱크로트론 방출을 시사하며, 이는 샤프트-인-제트 모델과 일치한다.

ABSTRACT

We analyzed Suzaku/XIS data of 2006--2015 observations of a gamma-ray emitting radio galaxy NGC 1275, and brightening of the nucleus in the X-ray band was found in 2013--2015, correlating with GeV Gamma-ray brightening. This is the first evidence of variability with correlation between GeV gamma-ray and X-ray for NGC 1275. We also analyzed Swift/XRT data of NGC 1275, and found that X-ray was flaring by a factor of $\sim$5 in several days in 2006, 2010, and 2013. The X-ray spectrum during the flare was featureless and somewhat steeper with a photon index of $\sim$2 against $\sim$1.7 in the normal state, indicating that a synchrotron component became brighter. A large Xray to GeV gamma-ray flux ratio in the flare could be explained by the shock-in-jet scenario. On the other hand, a long-term gradual brightening of radio, X-ray, and GeV gamma-ray with a larger gamma-ray amplitude could be origin of other than internal shocks, and then we discuss some possibilities.

연구 동기 및 목표

• X선과 GeV 감마선 변동성 간의 연관성을 라디오은하 NGC 1275에서 조사하기 위해.
• 장기적인 X선 모니터링을 통해 X선 방출의 기원—제트 또는 둘러싼 은하단—을 규명하기 위해.
• 단기적인 X선 플레어가 감마선 활동과 상관관계를 가지는지 평가하고, 복사 스펙트럼 및 플럭투에이션 변화를 설명할 수 있는 물리적 메커니즘을 규명하기 위해.
• 특히 샤프트-인-제트 시나리오에 대해, 관측된 X선/감마선 플럭투에이션 비율과 스펙트럼 지수의 의미를 평가하기 위해.

제안 방법

• 2006–2015년 동안의 19개의 Suzaku/XIS 관측 자료를 활용하여 X선 이미징 스펙트로스코피를 수행하고, 플럭투에이션 및 스펙트럼 변동성을 분석하였다.
• Fermi-LAT GeV 감마선 플럭투에이션 라이트 커브와 X선 라이트 커브 및 스펙트럼을 비교하여 상관관계를 규명하였다.
• 2006년, 2011년 및 2013년의 Swift/XRT 자료를 분석하여 단기적인 X선 플레어와 그 스펙트럼 특성을 연구하였다.
• X선 스펙트럼을 파wr-레인지 모델로 피팅하여 광자 지수와 플럭투에이션을 유도하고, 플레어 상태와 침체 상태를 비교하였다.
• 다양한 미션(осо-8에서 스위프트까지)의 역사적 X선 라이트 커브를 활용하여 장기적 변동성을 맥락화하였다.
• 샤프트-인-제트 모델을 평가하기 위해, 강화된 자기장 또는 전자 에너지 분포가 관측된 X선 플레어 특성을 설명할 수 있는지 검토하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NGC 1275에서 X선과 GeV 감마선 플럭투에이션 간에 유의미한 상관관계가 존재하는가?
• RQ2 관측된 X선 플레어가 약 ~5배의 플럭투에이션 증가와 스펙트럼 기울기의 변화를 보일 때, 이를 설명할 수 있는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 플레어 기간 동안 X선 대 GeV 감마선 플럭투에이션 비율은 제트 방출 모델(예: 샤프트-인-제트)로 설명될 수 있는가?
• RQ4 NGC 1275의 장기적 X선 변동성이 라디오 및 감마선 변동성과 어떻게 비교되며, 이는 방출 영역의 전자 에너지 밀도에 대해 어떤 의미를 갖는가?
• RQ5 1990년대에 EGRET이 NGC 1275를 탐지하지 못한 이유는 X선 플럭투에이션은 유사했음에도 불구하고, 이는 감마선 대 X선 플럭투에이션 비율 변화에 대해 어떤 의미를 갖는가?

주요 결과

• 2013–2015년 동안 NGC 1275에서 X선과 GeV 감마선 플럭투에이션 간에 유의미한 상관관계가 발견되었으며, 이는 라디오은하에서 처음으로 관측된 사례이다.
• 2006년, 2011년 및 2013년의 Swift/XRT 자료에서 관측된 X선 플레어는 수일 내에 약 ~5배의 플럭투에이션 증가를 보였고, 광자 지수 약 ~2로, 침체 상태의 약 ~1.7보다 더 기울어진 스펙트럼을 나타내었다.
• 플레어 기간 동안의 스펙트럼 기울기 변화는 침체 상태에서의 싱크로트론 자체-컴프턴(SSF) 기원에서 플레어 상태에서의 싱크로트론 주도 방출로의 전환을 시사한다.
• 플레어 기간 동안의 높은 X선 대 GeV 감마선 플럭투에이션 비율은 자기장 강도나 전자 에너지가 증가함으로써 X선 대역에서 싱크로트론 방출이 증폭되는 샤프트-인-제트 모델에 의해 가장 잘 설명된다.
• 장기적으로 라디오, X선 및 GeV 감마선 플럭투에이션이 점진적으로 밝아지며 감마선의 진폭이 더 크다는 것은 전자 에너지 밀도나 방출 영역 크기의 변화와 관련된 다른 기원일 수 있음을 시사한다. 다만 영역 크기 감소가 >3배 이상일 가능성은 낮다.
• 유사한 X선 플럭투에이션에도 불구하고 1990년대에 EGRET이 NGC 1275를 탐지하지 못한 것은 감마선 대 X선 플럭투에이션 비율이 >10배 이상 증가했음을 의미하며, 이는 방출 영역 내 전자 에너지 분포나 자기장 강도의 급격한 변화를 시사한다.