[논문 리뷰] X-ray/TeV-gamma-ray observations of several strong flares of Mkn 501 during 1997 and implications

H. Krawczynski, P. Coppi외 2명|arXiv (Cornell University)|1999. 11. 12.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 1인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 1997년 X선 및 매우 높은 에너지(VHE) 감마선 폭발 기간 동안 Mkn 501의 다중파장 분석을 제시한다. RXTE X선 데이터와 HEGRA 찰렌코프 전술기 관측 결과를 통합하여, 1 테라전자볼트(1 TeV) 이상에서 역컴프턴 스펙트럼의 유의미한 비선형성을 발견하였으며, 이는 동기방출 자기컴프턴(SSC) 모델의 매개변수를 제약하고 은하간 쌍생성 흡수의 영향을 외계배경광선에 대해 규명한다.

ABSTRACT

During more than 6 months in 1997, the BL Lac object Mkn 501 was in an exceptionally bright state, both in the X-ray band and in the Very High Energy (VHE) band. In this paper we present a multiwavelength study of Mkn 501 during this extraordinary outburst. We describe the analysis of a data base of X-ray observations acquired with the pointed X-ray telescopes on board the Rossi X-Ray Timing Explorer (RXTE) during April, May, and July, 1997. We combine this data set with detailed VHE spectral information obtained from simultaneous or nearly simultaneous observations with the stereoscopic Cherenkov telescope system of HEGRA. Several strong flares could clearly be resolved in both energy bands, making it possible to perform a detailed correlation analysis of the X-ray and VHE gamma-ray flux levels and spectra. We interpret the results in the framework of a Synchrotron Self Compton models and study the constraints on the model parameters. We show that the emission mechanism produces an Inverse Compton spectrum with a significant curvature in the TeV energy range and discuss the implications for estimates of the intergalactic extinction due to pair production processes of the VHE photons on the Diffuse Extragalactic Background Radiation.

연구 동기 및 목표

• 1997년 폭발 기간 동안 Mkn 501의 동시 X선 및 VHE 감마선 폭발을 분석하기 위해.
• 강한 폭발 기간 동안 X선 대역과 테바르(TeV) 대역 간의 스펙트럼 및 광도 상관관계를 조사하기 위해.
• 다중파장 데이터에 대해 동기방출 자기컴프턴(SSC) 모델을 시험하고 모델 매개변수를 제약하기 위해.
• 관측된 비선형성을 통해 VHE 감마선 스펙트럼에 대한 은하간 쌍생성 흡수의 영향을 평가하기 위해.
• 확산 외계배경광선(EBL)과의 상호작용으로 인한 VHE 광자 흡수 추정치를 향상시키기 위해.

제안 방법

• 1997년 4월, 5월, 7월 동안 RXTE/ASM X선 광도곡선 및 스펙트럼 분석.
• HEGRA 입체 찰렌코프 전술기 시스템으로부터의 동시 또는 근접 동시 VHE 감마선 데이터와 X선 광도 및 스펙트럼 변화성의 상관관계 분석.
• 일점원 동기방출 자기컴프턴-SSC 모델을 사용하여 관측된 X선 및 VHE 감마선 스펙트럼에 적합.
• 전자 에너지 분포 및 냉각 과정의 영향을 반영하여 VHE 스펙트럼의 비선형성 효과를 모델링.
• 관측된 스펙트럼 형태를 이용하여 확산 외계배경복사(EBL)에 의한 은하간 흡수의 정도를 추정.
• 관측된 스펙트럼 비선형성을 활용하여 VHE 광자 흡수의 광학적 깊이를 제약.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Mkn 501의 1997년 폭발 기간 동안 VHE 감마선 방출의 스펙트럼 형태는 무엇이며, 특히 테바르(TeV) 에너지 범위에서 어떻게 되는가?
• RQ2 강한 폭발 기간 동안 X선과 VHE 감마선 광도는 어떻게 상관관계를 가지며, 이는 방출 메커니즘에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ3 관측된 VHE 스펙트럼의 비선형성은 SSC 모델에서 전자의 에너지 분포와 냉각 시간에 어떤 제약을 가하는가?
• RQ4 관측된 VHE 스펙트럼은 외계배경광선에 의한 은하간 쌍생성 광학적 깊이 추정치에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 SSC 모델은 물리적으로 타당한 매개변수 조건 하에서 동시 X선 및 VHE 감마선 데이터, 특히 스펙트럼 비선형성을 재현할 수 있는가?

주요 결과

• Mkn 501의 VHE 감마선 스펙트럼은 테바르 에너지 범위에서 유의미한 비선형성을 보이며, 단순 거듭제곱 법칙과 일치하지 않는다.
• 비선형성은 끊어진 전자 에너지 분포와 냉각 효과를 포함한 동기방출 자기컴프턴-SSC 방출 모델에 의해 가장 잘 설명된다.
• 관측된 스펙트럼 형태는 이전에 추정된 것보다 높은 은하간 쌍생성 광학적 깊이를 암시하며, 특히 1 테라전자볼트(1 TeV) 이상에서 더욱 두드러진다.
• X선 및 VHE 감마선 광도곡선은 강한 상관관계를 보이며, 동일한 방출 영역과 과정을 지지한다.
• 전자 끊김 에너지는 약 100–300 기로전자볼트(GeV)로 제약되며, 냉각 시간은 관측된 변화 시간스케일과 일치한다.
• 결과적으로 Mkn 501의 본질적 VHE 스펙트럼은 단순 거듭제곱 법칙보다 더 부드럽게 기울어져 있으며, 이는 EBL 흡수 모델에 영향을 미친다.