[論文レビュー] Constraining the magnetic field in the parsec-scale jets of the brightest Fermi blazars with multifrequency VLBI observations

K. V. Sokolovsky, Y. Y. Kovalev+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 15, 2010

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、13個の明るいフェルミブラザールのパーセクスケールジェットにおける磁場強度を、4.6–43.2 GHzの周波数帯域にわたる多周波数VLBI観測を用いて制約した。観測されたシンクロトロンスペクトルを均一なシンクロトロンモデルにフィットさせることで、観測者フレームにおける磁場強度の上限が $ B_\perp \leq 10^{-2} $ から $ 10^2 $ G の間で求められ、カットオフ周波数より高い部分の硬い電波スペクトルは、電子エネルギー分布が硬いか、放射領域に顕著な不均一性があることを示唆している。

ABSTRACT

The spatially resolved broad-band spectroscopy with Very Long Baseline Interferometry (VLBI) is one of the few methods that can probe the physical conditions inside blazar jets. We report on measurements of the magnetic field strength in parsec-scale radio structures of selected bright Fermi blazars, based on fitting the synchrotron spectrum to VLBA images made at seven frequencies in a 4.6 -- 43.2 GHz range. Upper limits of B <= 10^-2 -- 10^2 G (observer's frame) could be placed on the magnetic field strength in 13 sources. Hard radio spectra (-0.5 <= a <= +0.1, S_nu ~ nu^a) observed above the synchrotron peak may either be an indication of a hard energy spectrum of the emitting electron population or result from a significant inhomogeneity of the emitting region.

研究の動機と目的

• 空間的解像度を有する全周波数帯域スペクトロスコピーを用いて、明るいフェルミブラザールのパーセクスケールジェット内の物理的状態を特定すること。
• 多周波数VLBIデータを用いて、ジェット放射領域における磁場強度を制約すること。
• シンクロトロンピークより高い部分の硬い電波スペクトルが、電子エネルギー分布に起因するのか、または不均一なプラズマ状態に起因するのかを評価すること。
• ブラザール放射の全周波数スペクトルエネルギー分布（SED）モデリングに観測的制約を提供すること。
• 均一なシンクロトロン源モデルが、観測されたジェットスペクトルをどの程度適切に記述できるかを評価すること。

提案手法

• VLBAを用いて、4.6〜43.2 GHzの間で7つの周波数で準同時的な多周波数VLBI観測を実施した。
• Difmapを用いて各周波数で自己校正と画像化を実施し、コアまたは光学的薄いジェット特徴の位置に基づいて画像をアラインメントした。
• 最低周波数（4.6 GHz）のビームFWHMの1/3の半径内にあるCLEAN成分を合算するピクセルベースのアプローチを用いてスペクトルを再構成した。
• 観測された電波スペクトルを均一なシンクロトロン源モデルにフィットさせ、磁場強度と電子エネルギー分布パラメータを導出した。
• 該当する場合にはコアシフト効果を考慮して、周波数間での位置合わせを改善した。
• モデルを用いて、磁場強度の上限と電子パワーローインデックス $ p $ の上限を導出し、スペクトルの光学的薄い部分に対して $ p = 1 - 2\alpha $ を用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最も明るいフェルミブラザールのパーセクスケールジェットにおける磁場強度の上限は何か？
• RQ2 シンクロトロンカットオフ周波数より高い部分の観測スペクトルは、電子エネルギー分布またはプラズマの不均一性とどのように関係しているか？
• RQ3 均一なシンクロトロン源モデルが、これらのジェットで観測されたスペクトルをどの程度適切に記述できるか？
• RQ4 コア領域における硬い電波スペクトル（$ \alpha \geq -0.5 $）は、ジェット放射メカニズムにどのような物理的意味を持つのか？
• RQ5 導出された磁場強度および電子エネルギー分布の制約は、ブラザール放射の全SEDモデリングにどのように寄与するか？

主な発見

• 17個の観測対象のうち13個のフェルミブラザールに対して、観測者フレームにおける磁場強度の上限が $ B_\perp \leq 10^{-2} $ から $ 10^2 $ G の間で制約された。
• 1510-089のコア領域はほぼ平坦なスペクトル（$ \alpha = 0.2 $）を示し、均一なシンクロトロンモデルでは記述できなかった。
• 3C 454.3とOJ 287を含む4つの源が、逆転スペクトル（$ \alpha > 0 $）を示し、これも均一モデルのフィットに失敗した。
• シンクロトロンピークより高い部分の硬いスペクトル（$ -0.5 \leq \alpha \leq +0.1 $）は、電子エネルギー分布が硬いか、放射領域に顕著な不均一性があることを示唆している。
• モデルフィット結果は、2次元ガウス成分フィッティングを用いた独立的な解析と整合的であり、手法の信頼性が裏付けられた。
• 導出された $ B_\perp $ および電子スペクトル指数 $ p $ の制約は、スイフトおよびフェルミデータと組み合わせることで、SEDモデリングに重要な入力となる。