[论文解读] A multi-messenger study of the blazar PKS 0735+178: a new major neutrino source candidate

N. Sahakyan, P. Giommi+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 11, 2022

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 5

一句话总结

本研究通过分析 PKS 0735+178 在 2021 年 12 月的多波段耀变活动，结合多信使观测，将其确定为一个强效的高能天体中微子源候选体。作者采用包含外部辐射场的一 zone 电子-强子模型，预测该 3 周耀变期间最多可产生 0.067 个μ子和反μ子中微子，与 IceCube-211208A 的观测结果一致，表明类似耀变体可能是高能中微子的重要来源。

ABSTRACT

The blazar PKS 0735+178 is possibly associated with multiple neutrino events observed by the IceCube, Baikal, Baksan, and KM3NeT neutrino telescopes while it was flaring in the $γ$-ray, X-ray, ultraviolet and optical bands. We present a detailed study of this peculiar blazar to investigate the temporal and spectral changes in the multi-wavelength emission when the neutrino events were observed. The analysis of Swift-XRT snapshots reveal a flux variability of more than a factor 2 in about $5 imes10^3$ seconds during the observation on December 17, 2021. In the $γ$-ray band, the source was in its historical highest flux level at the time of the arrival of the neutrinos. The observational comparison between PKS 0735+178 and other neutrino source candidates, such as TXS 0506+056, PKS 1424+240, and GB6 J1542+6129, shows that all these sources share similar spectral energy distributions, very high radio and $γ$-ray powers, and parsec scale jet properties. Moreover, we present strong supporting evidence for PKS 0735+178 to be, like all the others, a masquerading BL Lac. We perform comprehensive modelling of the multiwavelength emission from PKS 0735+178 within one-zone lepto-hadronic models considering both internal and external photon fields and estimate the expected accompanying neutrino flux. The most optimistic scenario invokes a jet with luminosity close to the Eddington value and the interactions of $\sim$ PeV protons with an external UV photon field. This scenario predicts $\sim 0.067$ muon and antimuon neutrinos over the observed 3-week flare. Our results are consistent with the detection of one very-high-energy neutrino like IceCube-211208A.

研究动机与目标

• 研究 PKS 0735+178 在 2021 年 12 月一次重大耀变期间的多波段变异性。
• 基于谱谱能量分布（SED）和喷流特性，评估该源是否为高能中微子产生机制的可行候选体。
• 利用包含内部和外部光子场的一 zone 电子-强子模型，模拟喷流中质子-质子和质子-光子相互作用，预测预期的中微子通量。
• 将 PKS 0735+178 与已知的中微子源候选体（如 TXS 0506+056、PKS 1424+240 和 GB6 J1542+6129）进行比较。
• 评估预测中微子通量与观测到的 IceCube-211208A 事件在统计上的自洽性。

提出的方法

• 分析 Swift-XRT 的快照数据，测量 X 射线通量变异性，发现在 2021 年 12 月 17 日的观测中，通量在约 5×10³ 秒内增加超过两倍。
• 对比 PKS 0735+178 与其他已知中微子源候选体的谱谱能量分布（SED），识别其在射电、γ 射线和 X 射线波段的光度相似性。
• 应用包含内部和外部（紫外）光子场的一 zone 电子-强子模型，模拟喷流中质子-质子和质子-光子相互作用。
• 在不同情景下估算预期的μ子和反μ子中微子通量，包括喷流光度接近爱丁顿极限以及与外部紫外光子场相互作用的情况。
• 通过泊松概率计算，评估在预期中微子数为 0.067 时检测到一个中微子的统计可能性，以检验模型与观测的一致性。
• 利用 Fermi-LAT、NVSS 等望远镜的档案数据，约束该源的历史活动状态及其 SED 演化。

实验结果

研究问题

• RQ1 PKS 0735+178 是否在空间和时间上与 IceCube、Baikal、Baksan 和 KM3NeT 探测到的多个高能中微子事件相重合？
• RQ2 PKS 0735+178 在 2021 年耀变期间的谱谱能量分布是否与已知中微子源候选体（如 TXS 0506+056）相似？
• RQ3 在包含外部光子场的一 zone 电子-强子模型下，PKS 0735+178 的预测中微子通量是多少？
• RQ4 预测的 IceCube 中微子数量与 IceCube-211208A 的实际探测结果相比如何？
• RQ5 在预期事件率较低的情况下，观测到的中微子通量是否与模型预测在统计上自洽？

主要发现

• 在 2021 年 12 月 17 日的观测中，PKS 0735+178 的 X 射线通量在约 5,000 秒内变化超过两倍，表明其具有强烈的变异性。
• 在 2021 年 12 月的耀变期间，PKS 0735+178 达到了其历史最高的 γ 射线通量水平，与高活动状态一致。
• 该源表现出与已知中微子源候选体（如 TXS 0506+056 和 PKS 1424+240）非常相似的谱谱能量分布（SED）以及高射电和 γ 射线光度。
• 在最乐观的一 zone 电子-强子模型下，假设喷流光度接近爱丁顿极限，并且 ~PeV 能量的质子与外部紫外光子场发生相互作用，预测在 3 周耀变期间可产生约 0.067 个μ子和反μ子中微子。
• 当预期中微子数为 0.067 时，检测到一个中微子的泊松概率约为 6.7%，与 IceCube-211208A 的观测结果在统计上自洽。
• 结果表明，处于耀变状态的类似高能耀变体可能平均每个耀变周期产生一个可探测的 IceCube 中微子，尽管当前模型预测每次耀变的事件率仍较低。