[论文解读] Detection of very-high-energy gamma rays from the most distant and gravitationally lensed blazar QSO B0218+357 using the MAGIC telescope system

J. Sitarek, J. Becerra González+8 more|arXiv (Cornell University)|Aug 19, 2015

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 3被引用 8

一句话总结

本论文报告了利用 MAGIC 望远镜系统首次探测到来自红移 z=0.944 的引力透镜类星体 QSO B0218+357 的甚高能（VHE）伽马射线。基于 Fermi-LAT 测量的 11.46 天时间延迟提前安排观测，团队在爆发状态期间实现了 5.7σ 的探测，标志着迄今探测到的最遥远 VHE 源，也是唯一在这些能量下被观测到的引力透镜类星体。

ABSTRACT

QSO B0218+357 is a blazar located at a cosmological redshift of z=0.944. It is gravitationally lensed by a spiral galaxy at a redshift of z=0.68. The blazar and its lens are well studied in the radio through X-ray bands, and several blazar outbursts were detected by Fermi-LAT at energies above 100 MeV. Strong gravitational lensing was invoked to explain the two components appar- ent in the radio and GeV light curves, separated by 10-12 days. In July 2014 another outburst was observed by Fermi-LAT, triggering follow-up observations with the MAGIC telescopes at energies above 100 GeV. The observations were scheduled at the expected time of arrival of the component delayed by the strong gravitational field of the lens, resulting in a firm detection of QSO B0218+357. Using the combined Fermi-LAT and MAGIC data sets, we report on variability of this unique blazar, the most distant among all currently known very high energy sources.

研究动机与目标

• 探测来自红移 z=0.944 的 QSO B0218+357 的甚高能（VHE）伽马射线辐射，该源是目前已知最遥远的 VHE 源。
• 利用 Fermi-LAT 测量的引力透镜时间延迟（11.46±0.16 天）来安排针对性的 MAGIC 观测，以提高探测灵敏度。
• 研究该极端源在高通量状态下的变异性与能谱特性。
• 检验河外背景光（EBL）吸收对宇宙距离下 VHE 伽马射线的影响。

提出的方法

• 基于先前的时间延迟测量结果，根据 Fermi-LAT 探测到的耀发中延迟成分的预期到达时间，安排 MAGIC 观测。
• 使用升级后的 MAGIC 望远镜系统（17 米直径镜面）探测能量高于 50 GeV 的 VHE 伽马射线，50 小时内灵敏度达到约 0.6% Crab 通量。
• 采用基于似然的源显著性检验（TS），以评估探测显著性，其中 TS=9 对应约 2.5σ，TS=25 对应约 4.6σ。
• 使用似然比方法计算通量与上限，系统不确定度主要来自能量标定（15%）。
• 将 MAGIC 数据与 Fermi-LAT 在 0.3 GeV 以上的光 light curve 结合，比较多波段变异性与能谱演化。
• 对 MAGIC 光 light curve 拟合高斯函数，以估计耀发的特征 timescale，结果小于 1 天。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管存在强烈的 EBL 吸收，是否仍能探测到来自高度红移类星体 QSO B0218+357（z=0.944）的 VHE 伽马射线辐射？
• RQ2 Fermi-LAT 光 light curve 中 11.46 天的时间延迟是否可用于触发地面 IACT 的及时后续观测？
• RQ3 QSO B0218+357 在 VHE 能段高通量状态下的通量与能谱行为如何？
• RQ4 VHE 耀发的变异性 timescale 与 GeV 能段相比如何？这对其辐射机制有何启示？
• RQ5 引力透镜效应对观测到的 VHE 通量及其变异性有何影响？

主要发现

• 在 2014 年 7 月 25–26 日的两晚观测中，成功实现对 QSO B0218+357 的 VHE 伽马射线辐射的确定性探测，显著性达 5.7σ。
• 100 GeV 以上平均 VHE 通量测量值为 (5.8 ± 1.6_stat ± 2.4_syst) × 10⁻¹¹ cm⁻² s⁻¹，系统不确定度主要源于 15% 的能量标定不确定度。
• VHE 耀发的特征 timescale 小于 1 天，由 MAGIC 光 light curve 的高斯拟合结果得出。
• Fermi-LAT 在延迟成分期间的通量比平均状态高出 20 倍，且光子指数显著比平静状态更硬。
• QSO B0218+357 是迄今探测到的最遥远 VHE 源，红移 z=0.944，也是唯一在 VHE 能段被观测到的引力透镜类星体。
• 该探测得益于基于 Fermi-LAT 时间延迟的预先观测安排，克服了 IACT 后续观测通常存在的延迟问题。