[論文レビュー] A multi-messenger study of the blazar PKS 0735+178: a new major neutrino source candidate

N. Sahakyan, P. Giommi+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 11, 2022

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、2021年12月の多波長フレア活動を多メッセンジャー分析することで、PKS 0735+178 が主要な天体物理学的ニュートリノ源である強力な候補であると特定した。外部放射場を含む1ゾーンのレプト・ハドロンモデルを用いて、3週間のフレア期間中に最大0.067のミューオンおよび反ミューオンニュートリノが予測され、IceCube-211208Aの検出と整合的である。これは、同様のブラザールが高エネルギーニュートリノの主要な源である可能性を示唆している。

ABSTRACT

The blazar PKS 0735+178 is possibly associated with multiple neutrino events observed by the IceCube, Baikal, Baksan, and KM3NeT neutrino telescopes while it was flaring in the $γ$-ray, X-ray, ultraviolet and optical bands. We present a detailed study of this peculiar blazar to investigate the temporal and spectral changes in the multi-wavelength emission when the neutrino events were observed. The analysis of Swift-XRT snapshots reveal a flux variability of more than a factor 2 in about $5 imes10^3$ seconds during the observation on December 17, 2021. In the $γ$-ray band, the source was in its historical highest flux level at the time of the arrival of the neutrinos. The observational comparison between PKS 0735+178 and other neutrino source candidates, such as TXS 0506+056, PKS 1424+240, and GB6 J1542+6129, shows that all these sources share similar spectral energy distributions, very high radio and $γ$-ray powers, and parsec scale jet properties. Moreover, we present strong supporting evidence for PKS 0735+178 to be, like all the others, a masquerading BL Lac. We perform comprehensive modelling of the multiwavelength emission from PKS 0735+178 within one-zone lepto-hadronic models considering both internal and external photon fields and estimate the expected accompanying neutrino flux. The most optimistic scenario invokes a jet with luminosity close to the Eddington value and the interactions of $\sim$ PeV protons with an external UV photon field. This scenario predicts $\sim 0.067$ muon and antimuon neutrinos over the observed 3-week flare. Our results are consistent with the detection of one very-high-energy neutrino like IceCube-211208A.

研究の動機と目的

• 2021年12月の主要フレア期におけるPKS 0735+178の多波長変動を調査すること。
• スペクトルエネルギー分布（SED）およびジェット特性に基づいて、この源が高エネルギーニュートリノ生成の候補として妥当かどうかを評価すること。
• 内部および外部の光子場を含む1ゾーンのレプト・ハドロンモデルを用いて、PKS 0735+178からの予想されるニュートリノフラックスをモデル化すること。
• TXS 0506+056、PKS 1424+240、GB6 J1542+6129といった既知のニュートリノ源候補とPKS 0735+178を比較すること。
• 予測されたニュートリノフラックスが観測されたIceCube-211208A事象と統計的に整合的かどうかを評価すること。

提案手法

• Swift-XRTのスナップショット分析により、2021年12月17日の観測で約5×10³秒間にわたって2倍以上のX線フラックス増加が確認された。
• PKS 0735+178と他の既知のニュートリノ源候補との間でスペクトルエネルギー分布（SED）を比較し、電波、γ線、X線のラディアンスに類似性があるかを特定した。
• 内部および外部（UV）光子場を組み込んだ1ゾーンのレプト・ハドロンモデルを適用し、ジェット内での陽子-陽子および陽子-光子反応を模擬した。
• ジェットのラディアンスがEddington限界に近い状況や、外部UV光子場との相互作用を想定したさまざまなシナリオ下で、ミューオンおよび反ミューオンニュートリノフラックスを推定した。
• 期待値が0.067のとき1つのニュートリノを検出するポアソン確率を統計的に評価し、モデルの観測との整合性を検証した。
• Fermi-LAT、NVSSその他の観測所のアーカイブデータを用いて、源の歴史的活動およびSEDの変化を制約した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 IceCube、Baikal、Baksan、KM3NeTが検出した複数の高エネルギーニュートリノ事象と、PKS 0735+178は空間的および時間的に一致しているか？
• RQ2 2021年のフレア期におけるPKS 0735+178のスペクトルエネルギー分布（SED）は、TXS 0506+056のような既知のニュートリノ源候補と類似しているか？
• RQ3 外部光子場を含む1ゾーンのレプト・ハドロンモデル下で、PKS 0735+178からの予測ニュートリノフラックスは何か？
• RQ4 予測されたIceCubeニュートリノ数は、観測されたIceCube-211208A事象とどのように比較されるか？
• RQ5 予測されたニュートリノフラックスは、低予測イベントレートを考慮しても、観測と統計的に整合的か？

主な発見

• 2021年12月17日の観測で、PKS 0735+178のX線フラックスは約5,000秒間にわたり2倍以上変動しており、強い変動を示している。
• 2021年12月のフレア期に、PKS 0735+178は歴史的に最高のγ線フラックスに達しており、活発な活動状態にあると一致する。
• この源は、TXS 0506+056 や PKS 1424+240 といった既知のニュートリノ源候補と類似したスペクトルエネルギー分布（SED）および高い電波およびγ線ラディアンスを示している。
• 最も楽観的な1ゾーンのレプト・ハドロンモデルでは、ジェットラディアンスがEddington限界に近い状況で、約ペブラボルト（PeV）の陽子が外部UV光子場と相互作用すると仮定した場合、3週間のフレア期間中に約0.067のミューオンおよび反ミューオンニュートリノが予測された。
• 期待値が0.067のとき1つのニュートリノを観測するポアソン確率は約6.7％であり、これはIceCube-211208Aの検出と統計的に整合的である。
• 結果から、フレア状態にある同様の高エネルギーブラザールが、平均して1つの検出可能なIceCubeニュートリノを生成する可能性があるが、現在のモデルでは1フレアあたりのイベントレートが低くなると示唆されている。