[论文解读] Constraints on the gamma-ray emitting region in blazars from multi-frequency VLBI measurements

K. V. Sokolovsky, Y. Y. Kovalev+10 more|arXiv (Cornell University)|Jun 15, 2010

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 3被引用 7

一句话总结

本研究利用5–43 GHz频段的多频VLBA观测，约束了20个明亮费米耀变体中毫秒尺度射电喷流核心的物理性质，并与单区同步辐射自康普顿（SSC）和外部康普顿（EC）谱能量分布（SED）模型进行比较。结果表明，尽管VLBI测得的核心尺寸和磁场强度与SED模型假设一致，但单区模型在不违反变异性 timescale 约束的前提下，无法再现观测到的射电发射水平，暗示高能辐射喷流下游存在更大、更延展的发射区域。

ABSTRACT

Single-zone synchrotron self-Compton and external Compton models are widely used to explain broad-band Spectral Energy Distributions (SEDs) of blazars from infrared to gamma-rays. These models bear obvious similarities to the homogeneous synchrotron cloud model which is often applied to explain radio emission from individual components of parsec-scale radio jets. The parsec-scale core, typically the brightest and most compact feature of blazar radio jet, could be the source of high-energy emission. We report on ongoing work to test this hypothesis by deriving the physical properties of parsec-scale radio emitting regions of twenty bright Fermi blazars using dedicated 5-43 GHz VLBA observations and comparing these parameters to results of SED modeling.

研究动机与目标

• 通过将VLBI推导的物理参数与SED模型预测进行比较，检验‘耀变体中毫秒尺度射电核心是高能（伽马射线）辐射来源’这一假设。
• 评估从VLBA数据推导出的射电核心尺寸和磁场强度与单区SED模型中假设值的一致性。
• 在变异性 timescale 约束条件下，探究单区模型是否能够同时解释观测到的射电发射与高能辐射特性。
• 探讨VLBI与SED建模之间差异对耀变体喷流中发射区域几何与结构的影响。
• 确定单个紧凑团块模型能否同时解释观测到的射电、光学和伽马射线发射，或是否需要引入延展发射结构。

提出的方法

• 在4.6–43.2 GHz频段进行多频VLBA观测，以解析20个费米耀变体中的毫秒尺度射电核心，从而测量核心尺寸和亮度温度。
• 从紧凑组分的谱转折点和亮度温度中推导出43 GHz时的核心尺寸（$R_{43\text{GHz}}$）和磁场强度（$B_{\text{VLBA}}$）。
• 利用Hovatta等人（2009年）给出的变异性多普勒因子，将观测参数转换至源 frame，以便与SED模型参数进行比较。
• 对选定源（包括PKS B1510−089）的超宽频谱能量分布（SED）拟合单区SED模型（SSC与EC），以估算$R_{\text{SED}}$和$B_{\text{SED}}$。
• 评估VLBI推导参数与SED推导参数之间的一致性，重点关注尺寸、磁场强度和电子能谱指数。
• 检验模型是否与观测到的伽马射线变异性 timescale（例如数小时）一致，该 timescale 对喷流团块尺寸设定了上限。

实验结果

研究问题

• RQ1 耀变体中毫秒尺度射电核心是否如单区SED模型所预测的那样，是伽马射线辐射的来源？
• RQ2 从多频VLBI推导出的射电核心物理参数（尺寸与磁场强度）是否与SED建模中假设的参数一致？
• RQ3 单区模型是否能够在不违反变异性 timescale 约束的前提下，同时再现观测到的射电发射与高能变异性特征？
• RQ4 VLBI核心参数与SED模型预测之间的不一致，对发射区域几何结构有何影响？
• RQ5 观测到的射电谱是否要求发射区域比SED模型假设的紧凑团块更大？

主要发现

• 从VLBA观测中推导出的43 GHz核心尺寸（$R_{43\text{GHz}}$）在样本中范围为≤590至≤6800×10^15 cm，其中最小核心位于BL Lac（≤590×10^15 cm）。
• 核心中的磁场强度（基于亮度温度和多普勒校正估算）范围为≤0.2 G（3C 273）至≤745 G（B2155−304），其中强变异性源的磁场值最高。
• 对于PKS B1510−089，SED模型预测的团块尺寸为1.9×10^15 cm，磁场为0.09 G，而VLBA数据将尺寸约束在≤3900×10^15 cm，磁场约束在≤16.7 G，表明尺寸估计存在显著差异。
• PKS B1510−089的SED模型严重低估了射电发射水平，因为小团块尺寸导致在高频发生强烈的同步辐射自吸收，与观测到的硬射电谱不一致。
• 观测到的伽马射线变异性 timescale（数小时）对团块尺寸设定了约10^15 cm的上限，这与单区模型为解释射电发射所需的大尺寸不相容。
• 结果表明，射电发射可能源自高能辐射喷流团块下游的延展结构（R > R_{43\text{GHz}}），可能为平滑喷流或多个组分，而这些结构目前的VLBI数据尚无法解析。