[论文解读] A large high-energy gamma-ray flare from the blazar 3C 273

W. Collmar, O. Reimer+9 more|arXiv (Cornell University)|Jan 12, 2000

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 5

一句话总结

本文报告了康普顿伽马射线天文台搭载的EGRET在1997年观测到的类星体3C 273发生的一次重大高能伽马射线耀发，其峰值通量为CGRO任务期间记录到的最高水平。该耀发局限于100 MeV以上的能量范围，且COMPTEL在MeV能段未观测到同时期的变异性，最合理的解释是外部康普顿散射重新处理的吸积盘辐射，表明其辐射机制与低能辐射不同，支持一个在耀发期间光谱硬化、具有两组分的谱模型。

ABSTRACT

The Compton Gamma-Ray Observatory (CGRO) experiments EGRET and COMPTEL observed the Virgo sky region continuously for 7 weeks between December 10, 1996 and January 28, 1997. The prominent quasar 3C~273 was found to be the brightest source in gamma-rays and was significantly detected by EGRET and COMPTEL. The EGRET experiment observed a time-variable flux at energies above 100 MeV, which reached in a 2-week flaring period (December 30, 1996 to January 14, 1997) its highest flux level observed during the CGRO-era. COMPTEL, however, does not observe obvious time variability at energies below ~30 MeV contemporaneous to EGRET. In particular, no flare was observed, indicating that this outburst is solely a high-energy (>100 MeV) phenomenon. The energy spectrum between 3 MeV and 10 GeV is well represented by a simple power-law model. Below 3 MeV a spectral turnover is indicated. Performing spectral analysis for different time periods, we found evidence for a spectral hardening during the flaring period, which is consistent with the flare occurring mainly at the higher energies and with its absence at COMPTEL energies of a few MeV. This may be interpreted as an indication that the emission in the EGRET energy range is dominated by a different radiation mechanism than the MeV emission. We argue that the most likely mechanism for the high-energy flare is inverse-Compton scattering of reprocessed accretion-disk radiation.

研究动机与目标

• 研究康普顿伽马射线天文台在7周连续观测期间探测到的类星体3C 273强高能伽马射线耀发的性质。
• 确定该耀发是高能（EGRET）还是低能（COMPTEL）现象，并理解其能谱和时间特性。
• 区分竞争性辐射机制——特别是外部康普顿化（ECC）与同步辐射反射（RSy）——对观测耀发的解释。
• 通过分析MeV至GeV能段的光谱硬化和时间变异性，约束辐射机制。
• 通过与McHardy等人（1999年）报告的同时期红外和X射线观测相关联，提供多波段背景。

提出的方法

• 康普顿伽马射线天文台上的EGRET和COMPTEL仪器自1996年12月10日至1997年1月28日对室女座天区进行连续监测。
• 使用幂律和截断谱模型对EGRET和COMPTEL数据在3 MeV至10 GeV能量范围内的谱进行分析。
• 进行时间分辨的谱分析，以检测在2周耀发期（1996年12月30日至1997年1月14日）内的通量变化和光谱硬化。
• 将观测到的变异性与理论模型进行比较：重新处理的吸积盘光子的外部康普顿化（ECC）和喷流同步辐射的同步辐射反射（RSy）。
• 使用ECC（公式6）和RSy（公式7）模型中峰值能量的解析表达式，预测光谱峰值并与观测结果比较。
• 将伽马射线耀发与McHardy等人（1999年）报告的同时期毫米波、红外和X射线耀发进行相关性分析，以检验多波段一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 3C 273的高能伽马射线耀发是否与COMPTEL在MeV能段观测到的耀发同时发生？
• RQ2 耀发期间观测到的光谱硬化是否表明主导辐射机制发生了改变？
• RQ3 该耀发是否可由重新处理的吸积盘辐射的外部康普顿化解释，还是更可能是同步辐射反射？
• RQ4 3 MeV以下的光谱截断的物理起源是什么，其与高能耀发有何关联？
• RQ5 McHardy等人（1999年）报告的同时期红外和X射线耀发与伽马射线耀发在时间上和辐射机制上如何关联？

主要发现

• EGRET探测到3C 273持续约2周的伽马射线耀发，其峰值通量为CGRO任务期间观测到的最高水平，比平均通量高出约2.5倍。
• COMPTEL未在约30 MeV以下能量探测到任何同时期耀发，表明耀发局限于100 MeV以上能量。
• 从3 MeV到10 GeV的能量谱可用简单幂律良好描述，且在3 MeV以下存在光谱截断。
• 耀发期间观测到光谱硬化，光子指数从约2.5降至约1.7，表明高能端发射增强。
• 无MeV耀发信号且伴随光谱硬化，强烈支持外部康普顿化（ECC）机制而非同步辐射反射（RSy）机制作为高能耀发的主导机制。
• 耀发时间与同时期的红外和X射线耀发相关，支持两组分模型：高能伽马射线起源于重新处理的盘辐射的康普顿化。