[論文レビュー] Variability in the synchrotron self-Compton model of blazar emission

A. Mastichiadis, J. G. Kirk|arXiv (Cornell University)|Oct 9, 1996

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 47

ひとこと要約

本稿では、ブレザールの放射を説明する時間に依存するシンクロトロン自己コンプトン（SSC）モデルを提示する。電子の注入、冷却、および光子の進化をシミュレートすることで、Mkn 421で観測された急速なフレアを説明する。その結果、最大電子エネルギーの急激な上昇が1994年に観測されたkeVおよびTeV同時フレアを再現でき、X線バンドが加速物理に最も感受的であることが示された。

ABSTRACT

We present a model of the spectra of gamma-ray emitting blazars in which a single homogeneous emission region both emits synchrotron photons directly and scatters them to high (gamma-ray) energy before emission (a ``synchrotron self-Compton'' or SSC model). In contrast to previous work, we follow the full time dependent evolution of the electron and photon spectra, assuming a power-law form of the electron injection and examine the predictions of the model with regard to variability of the source. We apply these computations to the object Mkn 421, which displayed rapid variability in its X-ray and TeV emission during a multiwavelength campaign in 1994. This observation strongly implies that the same population of electrons produces the radiation in both energy bands. By fitting first the observed quiescent spectrum over all 18 orders of magnitude in frequency, we show that the time dependence of the keV/TeV flare could have been the result of a sudden increase in the maximum energy of the injected electrons. We show also that different types of flare may occur in this object and others, and that the energy band most sensitive to the properties of the acceleration mechanism is the X-ray band.

研究の動機と目的

• ブレザール放射の時間に依存するスペクトル進化をモデル化すること、特にMkn 421で観測された急速なフレアを対象とする。
• 多波長観測が示唆するように、1つの電子集団がX線とTeVガンマ線放射を同時に生成できるかどうかを検証すること。
• 電子の注入と冷却ダイナミクスが多周波数フレアの形状に与える役割を調査すること。
• 電子加速機構の性質に最も感受的であるエネルギー帯域を特定すること。
• 非一様構造を必要としない状態でも、均一なSSCモデルが観測された変動をどれだけ正確に再現できるかを評価すること。

提案手法

• 相対論的運動するプラズマブロブ内の電子および光子分布の時間に依存する運動方程式の数値的解法。
• 主要な物理的プロセスの組み込み：シンクロトロン放射、逆コンプトン散乱（トンプソンおよびクライン=ニシナ領域）、光子-光子対生成、およびシンクロトロン自己吸収。
• フレアを模倣するために、時間に依存する最大エネルギーを持つパワーロー法の電子注入スペクトルを仮定。
• 地球フレームでの観測スペクトルを計算するためにローレンツ変換を用い、相対論的ビーム効果（ドップラー補正）を考慮。
• フレアシミュレーションの前に、周波数の18桁にわたる静穏スペクトルにフィットさせ、モデルパラメータを制約。
• 1994年のMkn 421キャンペーンで得られた多波長観測と、シミュレートされた光度曲線およびスペクトルを比較。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1つの均一な電子集団が、Mkn 421で観測された同時keVおよびTeVフレアを説明できるか？
• RQ2 観測された多周波数フレアを再現するために、電子注入（例：最大エネルギー）にどのような変化が必要か？
• RQ3 どのエネルギー帯域が電子加速機構の変動に最も感受的か？
• RQ4 時間に依存する電子冷却と注入ダイナミクスは、フレア中のスペクトル進化にどのように影響するか？
• RQ5 非一様構造を必要としない均一なSSCモデルは、どれほど観測された変動を再現できるか？

主な発見

• Mkn 421の同時keVおよびTeVフレアは、電子注入率や磁場の変化を必要とせず、最大電子エネルギーの急激な上昇によって説明可能である。
• X線バンドが、高エネルギー電子の冷却 timescale が最も短いため、電子加速機構の性質に最も感受的である。
• ドーブラー因子が約15である物理的に整合性のあるパラメータを用いて、周波数の18桁にわたる静穏スペクトルを再現できた。
• 1日程度の時間スケールの急速な変動は、ドーブラー因子が約15と整合的であり、より速い変動はパラメータのスケーリングによっても対応可能である。
• 低周波数の電波帯域ではシンクロトロン自己吸収効果が顕著に現れるが、特に高いドーブラー因子では誘導コンプトン散乱も電波帯域に影響を与える可能性がある。
• 均一なSSCモデルは、観測された変動を妥当な説明として提供するが、より複雑な非一様モデルの方がより良いフィットを示す可能性がある。