[논문 리뷰] Multiwavelength Observations of the Powerful Gamma-ray Quasar PKS 1510-089: Clues on the Jet Composition

J Kataoka, G Madejski외 17명|University of North Texas Digital Library (University of North Texas)|2007. 09. 11.

Astrophysics and Cosmic Phenomena인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 γ선 퀘이사 PKS 1510-089에서 수행한 다파장 캠페인을 보고하며, 매우 딱딱한 X선 스펙트럼(Γ ≈ 1.2)과 부드러운 X선 초과(soft X-ray excess, kT ≈ 0.2 keV) 및 스펙트럼 변화를 규명하였다. 외부 적외선 복사(먼지 토러스에서 유래)와 비균질 충격 내의 복사압축(Comptonization) 과정을 고려한 모델 분석을 통해 제트는 전자 대 양성자 비율 ≈10인 양성자 지배 구조임을 시사하며, 블라자르 제트의 조성에 대한 핵심 제약 조건을 제공한다.

ABSTRACT

We present the results from a multiwavelength campaign of the powerful Gamma-ray quasar PKS 1510-089. This campaign commenced with a deep Suzaku observation lasting three days for a total exposure time of 120 ks, and continued with Swift monitoring over 18 days. Besides Swift observations, the campaign included ground-based optical and radio data, and yielded a quasi-simultaneous broad-band spectral energy distribution from 10^9 Hz to 10^{19} Hz. The Suzaku observation provided a high S/N X-ray spectrum, which is well represented by an extremely hard power-law with photon index Gamma ~ 1.2, augmented by a soft component apparent below 1 keV, which is well described by a black-body model with temperature kT ~ 0.2 keV. Monitoring by Suzaku revealed temporal variability which is different between the low and high energy bands, again suggesting the presence of a second, variable component in addition to the primary power-law emission.We model the broadband spectrum of PKS 1510-089 assuming that the high energy spectral component results from Comptonization of infrared radiation produced by hot dust located in the surrounding molecular torus. In the adopted internal shock scenario, the derived model parameters imply that the power of the jet is dominated by protons but with a number of electrons/positrons exceeding a number of protons by a factor ~10. We also find that inhomogeneities responsible for the shock formation, prior to the collision may produce bulk-Compton radiation which can explain the observed soft X-ray excess and possible excess at ~18 keV. We note, however, that the bulk-Compton interpretation is not unique, and the observed soft excess could arise as well via some other processes discussed briefly in the text.

연구 동기 및 목표

• 강력한 γ선 퀘이사, 특히 아직도 이론 모델에 의해 명확히 규명되지 않은 PKS 1510-089에서 상대론적 제트의 조성을 제약 조건을 설정하기 위해.
• X선 스펙트럼에서 관측된 부드러운 X선 초과 및 약 18 keV 부근의 특이한 피크가 나타나는 원인을 규명하기 위해.
• 10⁹ Hz에서 10¹⁹ Hz까지의 광역 스펙트럼 에너지 분포가 외부 적외선 복사의 컴프턴화와 충격 관련 과정에 의해 설명될 수 있는지 확인하기 위해.
• 제트 내 비균질성의 역할을 평가하여, 표준 싱크로트론-자기복사-컴프턴(SSC) 모델의 대안으로서의 복합-컴프턴 방출을 제안하기 위해.
• 스펙트럼 모델링과 변화 분석을 기반으로 제트의 에너지가 주로 양성자에 의한 것인지 전자에 의한 것인지 평가하기 위해.

제안 방법

• Suzaku(X선), Swift(X선 및 UV/광학), 그리고 지상 기반 전파 및 광학 천체망원경(RATAN-600, ATCA, REM, Heidelberg)을 사용한 3주간의 다파장 캠페인을 수행하였다.
• 10⁹ Hz에서 10¹⁹ Hz까지의 주파수 범위에서 10개 옥타브에 걸친 근사 동시 광역 스펙트럼 에너지 분포를 확보하였다.
• 0.1 keV 이하의 부드러운 초과를 설명하기 위해, 경량 파wer 레인지(Γ ≈ 1.2)에 블랙바디 성분(kT ≈ 0.2 keV)을 추가하여 X선 스펙트럼을 피팅하였다.
• 외부 컴프턴(EC) 모델을 적용하여, r > r_BLR 범위에서 먼지 토러스로부터 온 적외선 광자를 컴프턴화하는 것을 가정하여 고에너지 성분을 설명하였다.
• 부드러운 X선 초과 및 약 18 keV 부근의 피크를 비균질 구조가 브로드 라인 영역(BLR) 복사장과 상호작용하면서 발생하는 복합-컴프턴 방출로 모델링하였다.
• SSC 성분 기여 또는 비블라자르 AGN에서 관측된 본질적 부드러운 초과와 같은 다른 해석 가능성을 평가하여 모델의 탄력성을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PKS 1510-089에서 관측된 1 keV 이하의 부드러운 X선 초과의 기원은 무엇이며, 복합-컴프턴 과정으로 설명될 수 있는가?
• RQ2 X선 대역에서의 스펙트럼 변화(0.4–1 keV 대비 ≥3 keV)는 별개의 방출 성분 또는 물리적 과정을 나타내는가?
• RQ3 제트 내 전자 대 양성자 비율은 얼마이며, 제트 에너지의 주요 기여자는 양성자인지 전자인지?
• RQ4 PKS 1510-089의 광역 스펙트럼이 먼지 토러스로부터 온 외부 적외선 복사의 컴프턴화에 의해 일관되게 설명될 수 있는가?
• RQ5 ~18 keV 부근의 경계적인 스펙트럼 피크는 충격 형성 비균질 구조에서 발생하는 복합-컴프턴 방출과 일치하는가?

주요 결과

• Suzaku X선 스펙트럼은 경량 파워 레인지(Γ ≈ 1.2)에 더하여, 온도 kT ≈ 0.2 keV인 블랙바디 모델로 기술되는 부드러운 X선 초과를 포함하여 가장 잘 맞는다.
• 일주일 단위의 시간 스케일에서의 스펙트럼 변화는 저에너지(0.4–1 keV) 및 고에너지(≥3 keV) 대역에서 서로 다른 거동를 보이며, 복수의 방출 성분을 시사한다.
• Swift XRT 모니터링 결과, 소스가 밝아질수록 X선 스펙트럼이 딱딱해지는 경향을 보이며, 광도와 스펙트럼 지수 사이에 상관관계가 있음을 시사한다.
• 광역 스펙트럼 에너지 분포는 먼지 토러스에서 온 적외선 복사의 컴프턴화에 의해 가장 잘 설명되며, 컴프턴화 영역은 r > r_BLR 위치에 있다.
• 모델링 결과 제트 에너지가 주로 양성자에 의해 지배되며, 전자 대 양성자 수비율 Ne/Np ≈ 10로 추정된다.
• 부드러운 X선 초과 및 약 18 keV 부근의 피크는 비균질 구조가 BLR 복사장과 상호작용하면서 발생하는 복합-컴프턴 방출로 설명될 수 있으나, 다른 해석(예: SSC 또는 본질적 부드러운 초과)도 가능성이 남아 있다.