[论文解读] A first joint M87 campaign in 2008 from radio to TeV gamma-rays

Robert Wagner, M. Beilicke+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 9, 2009

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用 5

一句话总结

本文报告了M87首次协调的多波段观测活动（2008年），结合了VHE伽马射线（H.E.S.S.、MAGIC、VERITAS）、X射线（钱德拉）和43 GHz VLBA射电观测。研究发现2008年2月出现显著的VHE伽马射线耀发，与X射线喷流核心活动增强以及内喷流罕见且强烈的射电耀发同时发生，挑战了VHE辐射集中于HST-1的模型，提示其可能起源于喷流核心。

ABSTRACT

M87, the central galaxy of the Virgo cluster, is the first radio galaxy detected in the TeV regime. The structure of its jet, which is not pointing toward the line of sight, is spatially resolved in X-ray (by Chandra), in optical and in radio observations. Time correlation between the TeV flux and emission at other wavelengths provides a unique opportunity to localize the very high energy gamma-ray emission process occurring in AGN. For 10 years, M87 has been monitored in the TeV band by atmospheric Cherenkov telescopes. In 2008, the three main atmospheric Cherenkov telescope observatories (H.E.S.S., MAGIC and VERITAS) coordinated their observations in a joint campaign from January to May with a total observation time of approx. 120 hours. The campaign largely overlapped with an intensive VLBA project monitoring the core of M87 at 43 GHz every 5 days. In February, high TeV activities with rapid flares have been detected. Contemporaneously, M87 was observed with high spatial resolution instruments in X-rays (Chandra). We discuss the results of the joint observation campaign in 2008.

研究动机与目标

• 协调多仪器的VHE伽马射线、X射线和射电观测，研究M87非常高能（VHE）伽马射线辐射的起源。
• 研究VHE伽马射线耀发与喷流内区（特别是HST-1和核心）活动在空间和时间上的相关性。
• 通过比较VHE、X射线和射电波段的变异性，检验VHE辐射模型，特别是在一次罕见且强烈的射电耀发期间。
• 基于多波段变异性模式，确定VHE辐射源自核心、HST-1还是更大尺度喷流结构。
• 利用同时性的多波段光曲线和变异性 timescales，改进对辐射区域大小和位置的约束。

提出的方法

• 2008年1月至5月期间，使用三台大气契伦科夫望远镜（H.E.S.S.、MAGIC、VERITAS）开展了120小时的协调VHE伽马射线观测活动。
• 与钱德拉X射线天文台同步观测，监测HST-1（最内层喷流结）和核心在活动期间的X射线通量。
• 利用43 GHz的VLBA对M87核心和内喷流进行高分辨率（亚毫角秒）监测，每5天一次，可解析约140个史瓦西半径以内的结构。
• 分析射电、X射线和VHE伽马射线波段的光曲线，寻找不同波段耀发之间的时序相关性。
• 应用统计显著性检验（如MAGIC的5.6σ）识别并量化VHE伽马射线在短 timescales（如1天）内的变异性。
• 将观测到的多波段变异性与相对论性喷流中轻子和强子机制的VHE辐射理论模型进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 M87的VHE伽马射线辐射是否与X射线核心或HST-1喷流结的耀发活动相关？
• RQ2 2008年2月观测到的VHE伽马射线耀发是否与VLBA在内喷流中观测到的显著射电耀发同时发生？
• RQ3 观测到的多波段变异性能否约束VHE辐射区域的空间位置（例如核心 vs. HST-1）？
• RQ4 2008年的观测与2005年VHE耀发相比如何？后者发生在HST-1的X射线爆发期间。
• RQ5 2008年观测到的射电耀发，其通量达到43 GHz历史上最高水平，是否表明存在新的辐射机制或为罕见事件？

主要发现

• MAGIC在2008年2月探测到强烈的VHE伽马射线耀发，能量高于350 GeV的通量变异性在1天 timescale 内显著，显著性达5.6σ。
• VHE耀发期间，HST-1的X射线通量处于低状态，与2005年耀发时HST-1处于高X射线状态的情况形成对比。
• 2008年2月，M87的X射线核心通量显著增加，达到钱德拉观测以来的最高水平，仅在VHE耀发后数天内实现。
• VLBA观测显示，核心区域（r = 1.2 mas）的43 GHz射电通量持续增加，最终达到过去十年中M87所有43 GHz观测中前所未有的水平。
• 2008年的射电耀发在幅度和 timescale 上均前所未有，表明喷流基底发生了罕见或极端活动。
• VHE耀发与HST-1 X射线活动之间缺乏相关性，而核心X射线和射电耀发同时发生，使得VHE辐射定位于HST-1的模型可能性降低。