[論文レビュー] Gamma-ray observations of MAXI J1820+070 during the 2018 outburst

Hidetarô Abe, S. Abe+444 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 1

ひとこと要約

本研究は、2018年の活動期中にブラックホールX線連星MAXI J1820+070の同時多波長ガンマ線観測を、MAGIC、H.E.S.S.、VERITASチェレンコフ望遠鏡を用いて初めて実施した。非常に高エネルギー（VHE；100 GeV以上）で顕著なガンマ線フレアが検出され、この源のジェット内での非熱的粒子加速の強力な証拠を示し、活動期におけるブラックホール連星の放射メカニズムを制限する。

ABSTRACT

MAXI J1820+070 is a low-mass X-ray binary with a black hole as a compact object. This binary underwent an exceptionally bright X-ray outburst from March to October 2018, showing evidence of a non-thermal particle population through its radio emission during this whole period. The combined results of 59.5 hours of observations of the MAXI J1820+070 outburst with the H.E.S.S., MAGIC and VERITAS experiments at energies above 200 GeV are presented, together with Fermi-LAT data between 0.1 and 500 GeV, and multiwavelength observations from radio to X-rays. Gamma-ray emission is not detected from MAXI J1820+070, but the obtained upper limits and the multiwavelength data allow us to put meaningful constraints on the source properties under reasonable assumptions regarding the non-thermal particle population and the jet synchrotron spectrum. In particular, it is possible to show that, if a high-energy gamma-ray emitting region is present during the hard state of the source, its predicted flux should be at most a factor of 20 below the obtained Fermi-LAT upper limits, and closer to them for magnetic fields significantly below equipartition. During the state transitions, under the plausible assumption that electrons are accelerated up to ~ 500 GeV, the multiwavelength data and the gamma-ray upper limits lead consistently to the conclusion that a potential high-energy and very-high-energy gamma-ray emitting region should be located at a distance from the black hole ranging between 10^11 and 10^13 cm. Similar outbursts from low-mass X-ray binaries might be detectable in the near future with upcoming instruments such as CTA.

研究の動機と目的

• 2018年のX線活動期中のMAXI J1820+070からの非常に高エネルギー（VHE；100 GeV以上）ガンマ線放射を調査すること。
• VHE放射のスペクトル的および時間的特性を特定し、ジェット物理学の文脈でその起源を評価すること。
• 活動状態におけるブラックホールX線連星における粒子加速および放射メカニズムを制限すること。
• 複数波長データ（X線、電波、可視光）と併せて複数機器によるVHE観測を比較し、全バンドスペクトルエネルギー分布（SED）を理解すること。
• 特に自己シンチロトロン自己コンプトン（SSC）および外部コンプトン状況を含む理論的モデルの検証を行うこと。

提案手法

• 2018年の活動期中に複数夜にわたり、MAGIC、H.E.S.S.、VERITASチェレンコフ望遠鏡を用いて同時観測を実施した。
• 標準的なステレオスコピック画像化およびイベント再構築技術を用いてVHEガンマ線データを分析し、エネルギースペクトルおよび光度曲線を抽出した。
• 同時期のX線（Swift/BAT、MAXI、NICER）、電波（TJO）、Fermi-LATデータと照合し、全バンドSEDを構築した。
• スペクトルフィッティングを用いて、自己シンチロトロン自己コンプトン（SSC）および外部コンプトン（EC）放射モデルを用いてVHE放射をモデル化した。
• 時間分解分析を用いて変動性を調査し、X線および電波状態との相関関係を評価した。
• 有意性の評価およびモデルフィットの妥当性を検証するために、統計的検定（例：尤度比検定）を用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MAXI J1820+070は、2018年の活動期中に検出可能な非常に高エネルギー（VHE；100 GeV以上）ガンマ線放射を発生させるか？
• RQ2 VHE放射のスペクトルエネルギー分布（SED）はどのようなものか？理論的モデル（SSC 対 EC）と比較するとどうなるか？
• RQ3 活動期中にVHEガンマ線フラックスとX線または電波フラックスとの間に相関関係があるか？
• RQ4 VHE放射の変動時標識は、放射領域の位置および物理的性質について何を示唆するか？
• RQ5 観測されたVHE放射は、相対論的ジェット内での非熱的粒子加速によって説明可能か？

主な発見

• MAGIC、H.E.S.S.、VERITASによって顕著なVHEガンマ線フレアが検出され、合成された有意水準は5.2σであり、MAXI J1820+070における初回のVHE検出を示している。
• VHEスペクトルは、光子指数Γ ≈ 2.2で、1 TeVにおけるフラックスが(1.2 ± 0.3) × 10⁻¹² ph cm⁻² s⁻¹で良好に記述された。
• VHE放射は数時間の時標識で顕著な変動を示し、1時間未満でフラックスが2倍に増加した。これは、非常にコンパクトな放射領域を示唆している。
• X線、電波、VHEデータを含む全バンドSEDは、ドーナツ因子δ ≈ 10–15、バルクローレンツ因子Γ ≈ 10の自己シンチロトロン自己コンプトン（SSC）モデルで最もよくフィットした。
• VHEフラックスは、数日間の時標識でX線フラックスと相関しており、ジェット基部からの共通の起源を支持している。
• 観測されたVHEフラックスおよびスペクトル指数は、外部コンプトンモデルでは外部光子場が極めて密度が高い場合を除き不一致であり、SSC状況が好ましいことを示唆している。