[論文レビュー] A Spectacular VHE Gamma-Ray Outburst from PKS 2155-304 in 2006

W. Benbow, C. Boisson+11 more|ArXiv.org|Sep 28, 2007

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、2006年7月28日、ブラーざるPKS 2155-304で発生した極端な非常に高エネルギー（VHE）ガンマ線フレアの検出を報告している。200 GeV以上で、その放射束縁はカブスネビュラの7倍に達した。このフレアは173秒という非常に短い時間スケールで急速に変動しており、その発生領域がコンパクトであることを考慮すると、ドーピラー因子が60以上である必要がある。これは、通常のブラーざるジェット物理学モデルに挑戦するものである。

ABSTRACT

Since 2002 the VHE (>100 GeV) gamma-ray flux of the high-frequency peaked BL Lac PKS 2155-304 has been monitored with the High Energy Stereoscopic System (HESS). An extreme gamma-ray outburst was detected in the early hours of July 28, 2006 (MJD 53944). The average flux above 200 GeV observed during this outburst is ~7 times the flux observed from the Crab Nebula above the same threshold. Peak fluxes are measured with one-minute time scale resolution at more than twice this average value. Variability is seen up to ~600 s in the Fourier power spectrum, and well-resolved bursts varying on time scales of ~200 seconds are observed. There are no strong indications for spectral variability within the data. Assuming the emission region has a size comparable to the Schwarzschild radius of a ~10^9 solar mass black hole, Doppler factors greater than 100 are required to accommodate the observed variability time scales.

研究の動機と目的

• 2006年の稀なフレア発生時における、ブラーざるPKS 2155-304のVHEガンマ線放射の極端な変動を調査すること。
• 観測された最短の変動時間スケールを用いて、放射領域の物理的サイズとドーピラー強化を特定すること。
• 放射束縁の変動と併せてスペクトルの変動が生じるかどうかを検証し、放射メカニズムを制限すること。
• 他のAGNやGRBと比較して、このフレアの時間的特徴がどの程度普遍的であるかを評価すること。
• このような極端な変動が、通常とは異なる高いドーピラー因子、または非標準的な放射物理学を示唆するかどうかを評価すること。

提案手法

• MJD 53944の3回の28分間の観測で得られたH.E.S.S.のVHEガンマ線データを、時間分解分析した。
• 1分間隔で光曲線をビニングし、1分未塔の時間スケールでの放射束縁の変動を解像した。
• 光曲線に5つの一般化されたガウス型のバースト成分と定常な放射束縁成分の重ね合わせをフィットした。
• マルコフ連鎖に基づくピーク検出アルゴリズムを用い、個々のバースト成分を同定および特徴付けた。
• 光曲線のフーリエパワースペクトルを計算し、さまざまな時間スケールにおける変動パワー分布を評価した。
• フレア中の観測VHEスペクトルをアーカイブデータと比較し、スペクトルの変動をテストした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 このフレア発生時における、PKS 2155-304のVHEガンマ線放射で観測された最短の固有変動時間スケールは何か？
• RQ2 放射領域がコンパクトであると仮定した場合、観測された変動時間スケールを説明するために必要なドーピラー因子は何か？
• RQ3 フレア中に、PKS 2155-304のVHEスペクトルに顕著な変化が生じるか、すなわちスペクトルの変動があるか？
• RQ4 このフレアの時間的特徴は、他のブラーざるやGRBと比較してどの程度類似しているか？
• RQ5 このフレアは標準的な放射モデルで説明可能か、それとも非常に高いドーピラー因子のような極端な物理的条件を必要とするか？

主な発見

• フレア期における200 GeV以上の平均VHE放射束縁は1.72 × 10⁻⁹ cm⁻² s⁻¹であり、カブスネビュラの7倍に相当する。
• 放射束縁はカブスの0.65倍から15.1倍まで変動し、分類性rms変動アーマニチュードF_var = 0.58 ± 0.03であった。
• 変動パワーは1.6 × 10⁻³ Hz（600秒）まで検出され、フーリエパワースペクトルは指数-2のパワーレイ法則と整合的であった。
• 5つの明確なバーストが同定され、上昇時間（τ_r）は173 ± 28 sまで短く、減衰時間（τ_d）は657 ± 268 sまで長かった。
• 最良のフィットモデルでは、放射領域サイズをRδ⁻¹ ≤ 4.65 × 10¹² cmに制限するために、ドーピラー因子δ ≥ 60–120が必要であった。ブラックホール質量を1–2 × 10⁹ M☉と仮定した。
• 5分、10分、28分の時間スケールでは顕著なスペクトル変動は認められず、スペクトル指数はΓ = 3.32のままであった。