[논문 리뷰] A large high-energy gamma-ray flare from the blazar 3C 273

W. Collmar, O. Reimer외 9명|arXiv (Cornell University)|2000. 01. 12.

Astrophysics and Cosmic Phenomena인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 콜럼브 고에너지 방사선 우주선 위성의 탑재된 EGRET를 통해 1997년 3C 273에서 관측된 주요 고에너지 감마선 폭발을 보고한다. 이 폭발은 CGRO 임무 기간 동안 기록된 바 있는 최고의 방사선 밀도를 보였으며, 100 MeV 이상의 에너지에 국한되어 있으며, COMPTEL의 MeV 대역에서는 동시성 변화가 없었다. 이 폭발은 재처리된 적축원반 복사의 외부 콤프턴 산란에 의해 가장 잘 설명되며, 저에너지 방출과는 별개의 방출 메커니즘임을 시사하고, 폭발 기간 동안 스펙트럼 경화가 발생하는 이중 성분 스펙트럼 모델을 지지한다.

ABSTRACT

The Compton Gamma-Ray Observatory (CGRO) experiments EGRET and COMPTEL observed the Virgo sky region continuously for 7 weeks between December 10, 1996 and January 28, 1997. The prominent quasar 3C~273 was found to be the brightest source in gamma-rays and was significantly detected by EGRET and COMPTEL. The EGRET experiment observed a time-variable flux at energies above 100 MeV, which reached in a 2-week flaring period (December 30, 1996 to January 14, 1997) its highest flux level observed during the CGRO-era. COMPTEL, however, does not observe obvious time variability at energies below ~30 MeV contemporaneous to EGRET. In particular, no flare was observed, indicating that this outburst is solely a high-energy (>100 MeV) phenomenon. The energy spectrum between 3 MeV and 10 GeV is well represented by a simple power-law model. Below 3 MeV a spectral turnover is indicated. Performing spectral analysis for different time periods, we found evidence for a spectral hardening during the flaring period, which is consistent with the flare occurring mainly at the higher energies and with its absence at COMPTEL energies of a few MeV. This may be interpreted as an indication that the emission in the EGRET energy range is dominated by a different radiation mechanism than the MeV emission. We argue that the most likely mechanism for the high-energy flare is inverse-Compton scattering of reprocessed accretion-disk radiation.

연구 동기 및 목표

• CGRO의 7주 연속 관측 기간 동안 감지된 블라르 3C 273의 강력한 고에너지 감마선 폭발의 성격을 조사하기 위해.
• 폭발이 고에너지(EGRET)인지 저에너지(COMPTEL) 현상인지를 판단하고, 그 스펙트럼 및 시간적 특성에 대해 이해하기 위해.
• 관측된 폭발에 대한 경쟁적 방출 메커니즘—특히 외부 콤프턴 산란(ECC) 대비 비틀림 동반성 방출(RSy)—를 구분하기 위해.
• 다양한 에너지 대역(메브에서 게브까지)에서의 스펙트럼 경화 및 시간 변화를 분석하여 방출 메커니즘을 제약하기 위해.
• McHardy 등(1999)이 보고한 동시성 적외선 및 X선 관측과 연계하여 다파장 맥락을 제공하기 위해.

제안 방법

• 1996년 12월 10일부터 1997년 1월 28일까지 콜럼브 고에너지 방사선 우주선 위성의 EGRET 및 COMPTEL 기구를 이용해 베르가 천구 지역을 연속 모니터링한 바.
• 3 MeV에서 10 GeV의 에너지 범위에서 EGRET 및 COMPTEL 데이터의 스펙트럼 분석을 수행하였으며, 관측된 스펙트럼을 적합하기 위해 거듭제곱 법칙 및 전환 모델을 사용하였다.
• 2주간의 폭발 기간(1996년 12월 30일 ~ 1997년 1월 14일) 동안의 시간 해상 스펙트럼 분석을 통해 방출량 및 스펙트럼 경화 현상을 탐지하였다.
• 이론적 모델과의 비교: 재처리된 적축원반 복사의 외부 콤프턴 산란(ECC) 및 제트의 동반성 방출 복사에 의한 비틀림 동반성 반사(RSy) 모델.
• ECC 모델의 피크 에너지(식 6) 및 RSy 모델의 피크 에너지(식 7)에 대한 분석적 표현을 사용하여 예측된 스펙트럼 피크를 관측 결과와 비교하였다.
• McHardy 등(1999)이 보고한 동시성 밀리미터, 적외선 및 X선 폭발과의 상관관계를 분석하여 다파장 일치성 여부를 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 3C 273에서 관측된 고에너지 감마선 폭발이 COMPTEL이 측정한 MeV 대역에서 동시에 폭발을 보였는가?
• RQ2 폭발 기간 동안 관측된 스펙트럼 경화 현상은 주요 방출 메커니즘이 변화했음을 시사하는가?
• RQ3 폭발은 재처리된 적축원반 복사의 외부 콤프턴 산란으로 설명될 수 있는가, 아니면 비틀림 동반성 반사가 더 가능성이 높은가?
• RQ4 3 MeV 이하의 스펙트럼 전환의 물리적 기원은 무엇이며, 고에너지 폭발과 어떻게 관련되어 있는가?
• RQ5 McHardy 등(1999)이 보고한 동시성 적외선 및 X선 폭발은 시간적 흐름과 방출 메커니즘 측면에서 감마선 폭발과 어떻게 관련되어 있는가?

주요 결과

• EGRET는 CGRO 임무 기간 동안 기록된 바 있는 최고 수준의 방출 밀도를 기록한 2주간의 감마선 폭발을 3C 273에서 탐지하였으며, 평균 방출량보다 약 2.5배 높았다.
• COMPTEL은 약 30 MeV 이하의 에너지에서 동시성 폭발을 탐지하지 못하여, 폭발이 100 MeV 이상의 에너지에 국한되어 있음을 시사한다.
• 3 MeV에서 10 GeV의 에너지 범위에서의 스펙트럼은 단순한 거듭제곱 법칙으로 잘 설명되며, 3 MeV 이하에서 스펙트럼 전환이 관측된다.
• 폭발 기간 동안 스펙트럼 경화 현상이 관측되었으며, 광자 지수는 약 2.5에서 약 1.7로 감소하여 고에너지 영역에서 방출이 증가했음을 나타낸다.
• MeV 대역 폭발이 관측되지 않았고, 스펙트럼 경화 현상이 강하게 나타나므로, 고에너지 폭발에 대해 외부 콤프턴 산란(ECC) 메커니즘이 비틀림 동반성 반사(RSy) 메커니즘보다 더 유력하다.
• 감마선 폭발의 시간적 특성은 동반된 적외선 및 X선 폭발과 일치하며, 고에너지 감마선이 재처리된 원반 광자를 콤프턴 산란하여 발생하는 것으로 보는 이중 성분 모델을 지지한다.