[论文解读] VHE gamma-ray emission from the FSRQs observed by the MAGIC telescopes

E. Lindfors, K. Nilsson+17 more|arXiv (Cornell University)|Mar 8, 2013

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 4

一句话总结

该论文通过MAGIC望远镜探测到三个平坦光谱无线电类星体（FSRQs）——PKS 1222+216、3C 279 和 PKS 1510-089——的甚高能（VHE）伽马射线辐射，表明尽管存在强烈的光子吸收和VHE产生效率低等理论挑战，FSRQs 仍可发射VHE伽马射线。主要发现包括：PKS 1222+216表现出快速变化（通量约10分钟内翻倍），3C 279在10 GeV以上存在能谱转折，PKS 1510-089在2012年出现与光学和X射线活动相关的多波段爆发。

ABSTRACT

Among more than fifty blazars detected in very high energy (VHE, E>100GeV) gamma-rays, only three belong to the subclass of Flat Spectrum Radio Quasars (FSRQs): PKS 1510-089, PKS 1222+216 and 3C 279. The detection of FSRQs in the VHE range is challenging, mainly because of their steep soft spectra in the GeV-TeV regime. MAGIC has observed and detected all FSRQs known to be VHE emitters up to now and found that they exhibit very different behavior. The 2010 discovery of PKS 1222+216 (z = 0.432) with the fast variability observed, challenges simple one-zone emission models and more complicated scenarios have been proposed. 3C 279 is the most distant VHE gamma-ray emitting AGN (z = 0.536), which was discovered by MAGIC in 2006 and detected again in 2007. In 2011 MAGIC observed 3C 279 two times: first during a monitoring campaign and later observations were triggered by a flare detected with Fermi-LAT. We present the MAGIC results and the multiwavelength behavior during this flaring epoch. Finally, we report the 2012 detection of PKS 1510-089 (z = 0.36), together with its simultaneous multiwavelength data from optical to gamma-rays.

研究动机与目标

• 研究FSRQs的VHE伽马射线辐射特性，这类耀变体长期以来因光谱和吸收限制被认为不太可能是VHE辐射的优良候选者。
• 分析耀发状态下的多波段光 light curves 和能谱能量分布（SEDs），以理解FSRQs中的辐射机制。
• 检验单区辐射模型在VHE辐射FSRQs中观测到的快速变化和光谱特征下的有效性。
• 通过评估河外背景光（EBL）吸收和宽线区（BLR）光子场的影响，确定VHE辐射区域的位置。
• 将MAGIC观测结果与Fermi-LAT及多波段数据进行比较，以识别相关性及辐射区域特征。

提出的方法

• 利用MAGIC切伦科夫望远镜的立体观测模式，其能量阈值低至50 GeV，且在50小时内对300 GeV以上能量的灵敏度约为0.8%蟹状星云。
• 将MAGIC的VHE伽马射线数据与Fermi-LAT、Swift、KVA、利物浦、OVRO、Metsähovi、VLBA和F-Gamma的同步观测数据相结合，构建多波段光 light curves。
• 使用Dominguez等人（2011）模型对VHE能谱进行河外背景光（EBL）吸收修正，以推断源的本征能谱。
• 分析从射电到VHE伽马射线波段的能谱能量分布（SEDs），拟合幂律并识别光谱转折点或截止点。
• 对光 light curves 进行时间分辨分析，测量变化 timescales（如通量翻倍时间），并分析不同能量波段之间的爆发相关性。
• 采用统计显著性检验（如>5σ检测阈值）确认VHE伽马射线的探测结果，并在非耀发状态下设定上限。

实验结果

研究问题

• RQ1 传统上被认为不太可能是VHE伽马射线辐射候选者的FSRQs，是否能在100 GeV以上的能量被探测到？
• RQ2 在PKS 1222+216中观测到的快速VHE变化（通量约10分钟内翻倍）的起源是什么？它如何挑战单区辐射模型？
• RQ3 在3C 279中观测到的10 GeV以上光谱转折是表示截止还是发射机制的改变？它与多波段爆发有何关联？
• RQ4 在2012年爆发期间，PKS 1510-089的多波段光 light curves（从射电到VHE波段）在不同波段之间如何相关？
• RQ5 EBL吸收和BLR光子场在高红移FSRQs中对VHE伽马射线的可探测性及光谱形状有多大影响？

主要发现

• MAGIC于2010年6月17日探测到PKS 1222+216（z = 0.432）的VHE伽马射线，在70–400 GeV能量范围内光谱指数为Γ = 3.75 ± 0.27（统计误差）± 0.2（系统误差）。
• Fermi-LAT与MAGIC的同步光谱（经EBL吸收修正后）在3 GeV至400 GeV范围内与单一幂律（指数2.7 ± 0.3）一致，表明辐射发生在宽线区之外。
• PKS 1222+216的VHE光 light curve 显示通量翻倍时间约为10分钟，是迄今为止在FSRQs中观测到的最快变化之一，暗示辐射区域极为紧凑。
• 2011年，MAGIC在Fermi-LAT触发的观测活动中对3C 279进行了观测，但未探测到VHE辐射，其上限比以往观测更严格。
• Fermi-LAT与MAGIC的联合数据表明3C 279在10 GeV以上存在光谱转折，提示可能存在截止或发射机制的改变。
• MAGIC于2012年2月至4月期间以>5σ的显著性探测到PKS 1510-089（z = 0.36）的VHE伽马射线，该探测发生在一次重大的光学爆发之后，多波段数据显示从射电到VHE波段的爆发具有相关性。