[논문 리뷰] The long-lasting activity of 3C 454.3. GASP-WEBT and satellite observations in 2008-2010

C. M. Raiteri, M. Villata외 7명|arXiv (Cornell University)|2011. 07. 06.

Solar and Space Plasma Dynamics참고 문헌 2인용 수 49

한 줄 요약

이 논문은 2008년에서 2010년 사이에 GASP-WEBT, Swift, AGILE, 그리고 Fermi 데이터를 사용하여 블라자르 3C 454.3의 다파장 변동성을 조사하며, 장기적인 광도 변동이 곡선이고 비균일한 제트의 기하학적 변화에서 기인한다고 제안한다. γ선과 X선 방출은 동기방출 광자를 역-컴프턴 산란시키는 과정(SSC 과정)으로 발생하며, 시간 지연과 광도 비율 변화는 시간에 따라 변화하는 동기방출 영역과 컴프턴화 영역 간의 약간의 기울어진 배치로 설명된다.

ABSTRACT

We present multiwavelength observations of 3C 454.3 from April 2008 to March 2010. The radio to optical data are mostly from the GASP-WEBT, UV and X-ray data from Swift, and gamma-ray data from the AGILE and Fermi satellites. We improved the calibration of optical-UV data from the UVOT and OM instruments and estimated the Lyalpha flux to disentangle the contributions from different components in this spectral region. The observations reveal prominent variability above 8 GHz. In the optical-UV band, the variability amplitude decreases with increasing frequency due to a steadier radiation from both a broad line region and an accretion disc. The optical flux reaches nearly the same levels in the 2008-2009 and 2009-2010 observing seasons; the mm one shows similar behaviour, whereas the gamma and X-ray flux levels rise in the second period. Two prominent gamma-ray flares in mid 2008 and late 2009 show a double-peaked structure, with a variable gamma/optical flux ratio. The X-ray flux variations seem to follow the gamma-ray and optical ones by about 0.5 and 1 d, respectively. We interpret the multifrequency behaviour in terms of an inhomogeneous curved jet, where synchrotron radiation of increasing wavelength is produced in progressively outer and wider jet regions, which can change their orientation in time. In particular, we assume that the long-term variability is due to this geometrical effect. By combining the optical and mm light curves to fit the gamma and X-ray ones, we find that the gamma (X-ray) emission may be explained by inverse-Comptonisation of synchrotron optical (IR) photons by their parent relativistic electrons (SSC process). A slight, variable misalignment between the synchrotron and Comptonisation zones would explain the increased gamma and X-ray flux levels in 2009-2010, as well as the change in the gamma/optical flux ratio during the outbursts peaks.

연구 동기 및 목표

• 블라자르 3C 454.3의 라디오에서 γ선 대역까지의 다파장 방출 간의 관계를 이해한다.
• 2008년에서 2010년 사이에 관측된 장기적이고 두드러진 변동성의 기원을 조사한다.
• γ선, X선, 광학, 라디오 대역에서 관측된 광도 변동이 내재된 플레어인지, 상대론적 제트 내 기하학적 효과인지를 규명한다.
• 제트 곡률과 관측 각도 변화가 광도와 스펙트럼 에너지 분포를 어떻게 조절하는지 평가한다.
• γ선과 X선 방출에 대한 역-컴프턴(SSC) 모델을 검증하기 위해 광도곡선과 시간 지연을 비교한다.

제안 방법

• 2008–2010년 동안 GASP-WEBT(라디오에서 광학), Swift(자외선/X선), Fermi/AGILE(γ선) 관측을 바탕으로 18밴드 광도곡선을 정리하였다.
• UVOT 및 OM 기구의 보정을 향상시켜 라이먼-알파(Lyα) 광도를 추정하고, 넓은 선 영역과 순환 디스크 기여를 분리하였다.
• γ선, X선, 광학 대역 간의 광도 변화 간 시간 지연을 측정하기 위해 상관분석을 적용하였다.
• 다양한 제트 영역에서 발생하는 동기방출 광자를 기반으로 시드 광자를 가정한 동기-자기컴프턴(SSC) 과정을 사용하여 γ선과 X선 방출을 모델링하였다.
• 다양한 파장에서 방출 영역이 점차 더 바깥쪽이고 넓어지는 영역에서 기인하는 곡선이고 비균일한 제트 모델을 제안하였다.
• 광학 및 밀리미터 파장 광도를 병합하여 γ선과 X선 광도곡선을 맞추어 컴프턴화 영역의 위치와 방향을 동기방출 영역에 대해 유추하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 3C 454.3에서 라디오에서 γ선 대역까지의 장기적 광도 변동은 무엇에 기인하는가?
• RQ2 X선, γ선, 광학 광도 변화 간의 시간 지연은 제트의 공간적 및 운동학적 구조를 어떻게 제약하는가?
• RQ3 왜 2009–2010년에 γ선 광도는 증가하지만 광학 및 밀리미터 파장 광도는 이전 시즌과 유사하게 유지되는가? 그리고 폭발 기간 동안 변화하는 γ/optical 광도 비율은 무엇으로 설명되는가?
• RQ4 관측된 다파장 행동은 곡선 제트 기하학 하에서 단일 방출 모델, 예를 들어 SSC 과정으로 설명될 수 있는가?
• RQ5 방출 영역의 위치 변화가 도플러 부스팅과 광도 비율 조절에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 2009–2010년 동안 γ선과 X선 광도 수준이 증가한 반면, 광학 및 밀리미터 파장 광도는 2008–2009년 시즌과 유사한 수준을 유지하였다.
• 2008년 중반과 2009년 말에 두 개의 두드러진 γ선 폭발이 발생했으며, 이는 변수적인 γ/optical 광도 비율을 가지는 双봉 구조를 보였다.
• 상관분석을 통해 X선 광도 변화는 γ선 변화보다 약 0.5일, 광학 변화보다 약 1일 뒤처지는 것으로 확인되었다.
• γ선 방출은 주 광학 방출 영역에서 略로 하游한 영역에서 상대론적 전자가 광학-자외선 동기광자를 역-컴프턴 산란시켜 발생한다.
• X선 방출은 상대론적 전자가 적외선 동기광자를 역-컴프턴 산란시키는 하류 영역에서 발생한다.
• 동기방출 영역과 컴프턴화 영역 간의 약간의 시간에 따라 변화하는 기울어진 배치가 2009–2010년 동안 γ선과 X선 광도 증가 및 폭발 기간 동안 변화하는 γ/optical 광도 비율을 설명한다.