[논문 리뷰] Intrinsic spectra of H.E.S.S. blazars : what would we see without EBL absorption

C. Romoli, D. A. Sanchez⋆외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 08. 03.

Astrophysics and Cosmic Phenomena인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 H.E.S.S. 블라자르의 내재된 매우 높은 에너지(VHE) 감마선 스펙트럼을 모델에 의존하지 않는 EBL 측정을 통해 은하간 배경 빛(EBL) 흡수를 보정함으로써 재구성한다. H.E.S.S.와 Fermi-LAT 데이터를 조합하여 대부분의 천체에 대해 스펙트럼 절단 에너지의 하한을 도출하였으며, 세 개의 밝은 블라자르만 νf(ν) 표현에서 피크 에너지가 제약을 받는 것으로 나타나, 은하핵 활동은피자(AGN) 제트에서 VHE 방출 메커니즘에 대한 통찰을 제공한다.

ABSTRACT

The vast majority of extragalactic sources detected in the very high energy (E> 100 GeV) domaine are active galactic nuclei (AGN) located at cosmological distances. During their travel towards Earth, the emitted gamma-rays suffer from absorption by the extragalactic background light (EBL). The density of the EBL is not very well constrained by direct or indirect measurement which leads to uncertainties on the intrinsic spectrum of the sources. High-quality AGN spectra obtained with the High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) have been used to perform a model-independent measurement of the EBL spectral energy distribution. While the precision of this measurement remains limited, it reflects the sensitivity of H.E.S.S. alone to the EBL and offers the possibility to access the intrinsic spectra of AGNs in a consistent manner, taking into account the derived uncertainties on the EBL spectral energy distribution. In this contribution, we study the intrinsic spectra as measured by H.E.S.S. and by the Fermi Large Area Telescope (LAT) of several blazars of the H.E.S.S. sky. This provides the opportunity to have new insight into the emission processes at play in the jets of AGN. The data presented consist of monitoring data of quiescent state of blazars and also bright blazar flares, such as PKS~2155-304, Mrk~421, recorded by H.E.S.S.

연구 동기 및 목표

• 관측된 스펙트럼을 왜곡시키는 은하간 배경 빛(EBL) 흡수를 보정하여 H.E.S.S. 블라자르의 내재된 VHE 감마선 스펙트럼을 결정하는 것.
• H.E.S.S. 데이터에서 유도된 모델에 의존하지 않는 EBL 스펙트럼 에너지 분포 측정을 통해 내재된 소스 스펙트럼의 불확실성을 감소시키는 것.
• 특히 νf(ν) 표현에서 피크 에너지와 광도를 포함한 블라자르의 스펙트럼 에너지 분포(SED)를 조사하여 은하핵 활동은피자(AGN) 제트 내 방출 메커니즘을 탐구하는 것.
• 동시 관측된 Fermi-LAT와 H.E.S.S. 데이터를 조합하여 스펙트럼 피팅 정확도를 향상시키고 스펙트럼 절단에 대한 강력한 제약을 도출하는 것.
• 베이지안 추론 접근법을 통해 유도된 EBL 불확실성을 고려하여 내재된 소스 특성에 대한 일관된 프레임워크를 제공하는 것.

제안 방법

• H.E.S.S.와 Fermi-LAT 데이터를 동시에 피팅하기 위해 베이지안 추론 모델을 사용하며, 스펙트럼 모델로 거듭제곱 법칙과 지수적 절단을 가진 모델(PLC)을 가정한다.
• 통계적 상관관계를 유지하면서 스펙트럼 모델에 의존하지 않고 H.E.S.S. 스펙트럼 점을 추출하기 위해 베이지안 편향 제거 기법을 적용한다.
• 동일한 H.E.S.S. 데이터 세트에서 유도된 EBL 스펙트럼 에너지 분포를 사용하여 H.E.S.S. 데이터를 보정하며, 불확실성을 제곱합으로 추가한다.
• 스펙트럼 절단 에너지 E_c에 대한 사전 분포를 1/E_c 비례로 설정하여 물리적으로 타당한 값을 선호하고 수렴성을 보장한다.
• 통계적 및 EBL 유도 불확실성을 모두 포함한 복수변량 정규분포 기반의 우도 함수를 적용한다.
• 8년간의 Fermi-LAT 데이터와 H.E.S.S. 관측 데이터를 사용하여 9개의 블라자르에 대해 스펙트럼 피팅을 수행하였으며, 침체 상태와 활성 폭발(예: PKS 2155-304)을 포함한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 EBL 흡수를 보정한 후 H.E.S.S. 블라자르의 내재된 VHE 감마선 스펙트럼은 어떻게 되는가?
• RQ2 단순 거듭제곱 법칙(PL), 로그 포물선(LP), 또는 거듭제곱 법칙과 지수적 절단을 가진 모델(PLC)로 피팅했을 때 H.E.S.S. 블라자르의 내재된 스펙트럼은 어떻게 비교되는가?
• RQ3 Fermi-LAT와 H.E.S.S. 데이터를 조합하여 νf(ν) 표현에서 스펙트럼 피크 에너지(E_peak)가 제약을 받는 블라자르는 어떤 것들이며, 나머지 자료에 대해 하한은 무엇인가?
• RQ4 연구된 블라자르에 대해 스펙트럼 절단 에너지 E_c의 95% 신뢰수준 하한은 얼마이며, SED에서 피크 광도와 어떻게 상관되는가?
• RQ5 스펙트럼 피팅 과정에 EBL 불확실성을 포함시키는 것이 내재된 소스 스펙트럼 재구성의 신뢰성에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 다른 H.E.S.S. 블라자르의 내재된 스펙트럼은 오직 H.E.S.S. 데이터만으로 피팅했을 때 단순 거듭제곱 법칙(PL)으로 잘 설명되며, VHE 대역에서 스펙트럼 절단의 강력한 증거가 없음을 시사한다.
• 연구된 아홉 개의 블라자르 중 세 개만이 — 1ES 0229+200, 1ES 0347-121, 1ES 1101-232 — νf(ν) 표현에서 스펙트럼 피크 에너지(E_peak)가 Fermi-LAT와 H.E.S.S. 데이터의 조합으로 제약을 받으며, 각각 0.52 TeV, 0.33 TeV, 0.4 TeV의 E_peak 값을 가진다.
• 남은 여섯 개의 소스에 대해서는 95% 신뢰수준에서 스펙트럼 절단 에너지 E_c의 하한을 유도하였으며, 값은 1ES 0414+009의 0.45 TeV에서 1ES 0229+200의 1.63 TeV까지 다양하다.
• νf(ν) 표현에서 피크 광도는 1ES 1312-423의 0.70 × 10⁻⁸ TeV cm⁻² s⁻¹에서 1ES 1101-232의 1.72 × 10⁻⁸ TeV cm⁻² s⁻¹까지 변동하며, 가장 높은 광도는 가장 제약을 받는 소스와 관련이 있다.
• 베이지안 모델은 E_c에 대한 사전 분포(1/E_c)가 물리적으로 비현실적인 높은 값을 억제하고 스펙트럼 절단 추론의 강건성을 보장함을 확인한다.
• 결과적으로 H.E.S.S.와 Fermi-LAT 데이터의 조합은 EBL 불확실성을 분석 과정에 적절히 반영함으로써 내재된 스펙트럼의 일관되고 모델에 의존하지 않는 재구성 가능성을 입증한다.