[论文解读] Rapid Variability of Gamma-ray Emission from Sites near the 43 GHz Cores of Blazar Jets

Alan P. Marscher, S. G. Jorstad|arXiv (Cornell University)|May 30, 2010

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 3被引用 21

一句话总结

该论文提出了一种湍流胞模型，其中高能电子被限制在喷流43 GHz核心内频率相关的微小区域内，使得尽管核心距离中心引擎为 parsec 量级，仍能实现快速的 γ 射线变异性。该模型解释了观测到的短变异性 timescale（例如，AO 0235+164 中 B 波段约 4 天），以及耀发期间谱谱形变平，调和了多波段变异性与喷流大物理尺度之间的矛盾。

ABSTRACT

Comprehensive VLBI and multi-waveband monitoring indicate that a single superluminal knot can cause a number of gamma-ray flares at different locations. However, the often very rapid variability timescale is a challenge to theoretical models when a given flare (perhaps the majority of those observed) is inferred from observations to lie near the 43 GHz core, parsecs from the central engine. We present some relevant observational results, using the BL Lac object AO 0235+164 as an example. We propose a turbulent cell model leading to a frequency-dependent filling factor of the emission region. This feature of the model can provide a solution to the timescale dilemma and other characteristics of blazar emission.

研究动机与目标

• 解决观测到的快速 γ 射线变异性（数小时）与 parsec 量级区域发射的预期最小 timescale（约 1 周）之间的矛盾。
• 解释尽管核心对射电辐射不透明，为何在 43 GHz 核心处观测到的超光速结喷射与 γ 射线耀发常同时发生。
• 解释频率相关的变异性 timescale、耀发期间的谱形变平，以及随频率增加的偏振度，这些现象在耀变体喷流中均有观测。
• 提出一个物理解释模型，其中在高频下高能电子的填充因子较低，从而在无需靠近中心引擎发射的情况下实现短 timescale。

提出的方法

• 将喷流建模为一系列电子密度和磁场变化的湍流胞，仅其中一部分胞在高频下发射。
• 假设高频下高能发射的填充因子 V(ν) 随频率增加而减小，从而导致高频下变异性 timescale 更短。
• 利用 AO 0235+164 中观测到的 tvar ∝ ν^−0.16 关系推断 V(ν) ∝ ν^−0.32，与 N(ν) 个胞的随机涨落一致。
• 将通量变异性与发射胞数量的平方根倒数相关联：⟨ΔF/F⟩ ∝ N(ν)^−1/2。
• 利用 VLBA 43 GHz 图像和多波段光曲线，约束超光速结的大小和运动，并确定其与耀发的对齐关系。
• 应用 Burn (1966) 和 Jones (1988) 模型，基于胞数量和磁场几何结构预测频率相关的偏振水平。

实验结果

研究问题

• RQ1 在相对论性束射和多普勒增强效应下，能否用靠近 43 GHz 核心的 parsec 量级区域发射来解释快速 γ 射线变异性（例如，约 4 天 timescale）？
• RQ2 尽管核心对射电波段不透明，为何光学和 γ 射线耀发常与超光速结通过 43 GHz 核心的时间一致？
• RQ3 如何调和观测到的频率依赖变异性 timescale（tvar ∝ ν^−0.16）与发射区域的物理尺度之间的矛盾？
• RQ4 何种物理机制能在耀发期间产生谱形变平，同时保持高频下的高偏振度？
• RQ5 一个具有频率依赖发射电子填充因子的模型，能否解释观测到的多波段光曲线和偏振行为？

主要发现

• AO 0235+164 的 B 波段观测到的约 4 天变异性 timescale 与物理尺度约 0.2 pc 和多普勒因子 δ ≈ 70 一致，表明在 10^13 Hz 频率下 timescale 约为 3 天。
• 频率依赖关系 tvar ∝ ν^−0.16 暗示填充因子 V(ν) ∝ ν^−0.32，表明仅少数胞在高频下发射。
• 在 80 天的 γ 射线爆发期间，谱指数从 α ≈ 1.01 变化至 1.34（Δα = 0.32），与模型预测的少数高密度胞增强发射一致。
• 偏振幅度和平均偏振度随频率增加的现象，可通过模型在高频下发射胞更少、更相干的预测自然解释。
• 该模型调和了 γ 射线耀发、光学耀发与超光速结通过与核心的观测一致性，同时实现发射发生在距离中心引擎 parsec 量级处，避免了对靠近中心引擎发射的需求。
• 该模型预测，同步辐射谱的几何转折点应在逆康普顿谱中显现，这一特征有待未来模拟验证。