[论文解读] Blazars distance indications from Fermi and TeV data

E. Prandini, G. Bonnoli+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 21, 2011

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 6

一句话总结

本文提出了一种新颖的方法，通过比较费米/LAT测得的GeV能段谱指数与能量依赖的吸收校正后TeV谱，来估算红移未知的耀变体的红移上限（从而估算距离）。该方法利用了本征TeV谱指数不可能比费米/LAT观测到的GeV谱指数更硬这一事实；将此约束应用于经EBL吸收后的VHE数据，可得出红移上限；该方法应用于PKS 1424+240时，估算出的红移为 $ z = 0.24 \pm 0.05 $，与独立测量结果一致。

ABSTRACT

A new method to constrain the distance of blazars with unknown redshift using combined observations in the GeV and TeV regimes will be presented. The underlying assumption is that the Very High Energy (VHE) spectrum corrected for the absorption of TeV photons by the Extragalactic Background Light (EBL) via photon-photon interaction should still be softer than the extrapolation of the gamma-ray spectrum observed by Fermi/LAT. Starting from the observed spectral data at VHE, the EBL-corrected spectra are derived as a function of the redshift z and fitted with power laws. Comparing the redshift dependent VHE slopes with the power law fits to the LAT data an upper limit to the source redshift can be derived. The method is applied to all TeV blazars detected by LAT with known distance and an empirical law describing the relation between the upper limits and the true redshifts is derived. This law can be used to estimate the distance of unknown redshift blazars: as an example, the distance of PKS 1424+240 is inferred.

研究动机与目标

• 开发一种利用多波段伽马射线数据估算红移未知耀变体红移上限的方法。
• 利用本征TeV谱指数不可能比费米/LAT观测到的GeV谱指数更硬的事实，因为银河系外背景光（EBL）吸收会软化VHE谱。
• 推导EBL吸收的红移依赖修正，并将得到的去吸收TeV谱指数与LAT未吸收的GeV谱指数进行比较。
• 使用14个已知红移的耀变体样本校准该方法，并推导出推导出的上限 $ z^* $ 与真实红shift $ z $ 之间的经验线性关系。
• 将校准后的方法应用于PKS 1424+240，一个红移不确定的耀变体，利用其费米和TeV数据估算其红移。

提出的方法

• 该方法假设耀变体的本征TeV谱指数不可能比费米/LAT观测到的GeV谱指数更硬，后者不受EBL吸收影响。
• 对每个源，使用基于标准EBL模型推导出的红移依赖光学深度 $ \tau(E,z) $ 对观测到的VHE谱进行EBL吸收校正。
• 对EBL校正后的谱使用幂律进行拟合，并通过迭代方法确定去吸收TeV谱指数与LAT观测GeV谱指数相匹配的红移 $ z^* $。
• 该过程以红移步长从 $ z = 0.01 $ 开始逐级向上推进，直至谱指数收敛，从而得出源红移的上限。
• 对14个已知红移的源拟合经验线性关系 $ z^* = A + B z_{\text{true}} $，以实现对未知源的红移估算。
• 该方法在已知源上进行了验证，并应用于PKS 1424+240，得到重建红移为 $ z_{\text{rec}} = 0.24 \pm 0.05 $。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否仅使用费米/LAT和TeV数据，而不依赖其他红移指标，来约束红移未知耀变体的红移？
• RQ2 TeV能量段由EBL引起的谱指数软化与GeV能量段测量的本征谱指数之间有何关系？
• RQ3 推导出的红移上限 $ z^* $ 与真实红移 $ z $ 之间的经验关系是什么？该关系能否用于估算未知源的距离？
• RQ4 当真实红移不确定时，该方法在多大程度上能为高能耀变体提供可靠的距離上限？
• RQ5 该方法在PKS 1424+240这类存在独立红移估计的源上表现如何？

主要发现

• 对于14个已知红移的耀变体，推导出的上限 $ z^* $ 系统性地高于真实红移，证实该方法提供了安全的红移上限。
• 基于已知样本推导出的经验线性关系 $ z^* = A + B z_{\text{true}} $ 具有62%的概率，可用于对未知源进行红移估算。
• 对于S5 0716+714，该方法在95%置信水平下将红移约束在 $ z < 0.39 $ 以内；对于3C 66A，约束为 $ z < 0.44 $。
• 将该方法应用于PKS 1424+240，得到的重建红移为 $ z_{\text{rec}} = 0.24 \pm 0.05 $，在考虑数据和模型差异后，与[9]中独立估计的 $ 0.5 \pm 0.1 $ 一致。
• 该方法与独立测量结果的一致性验证了其在缺乏光谱数据时估算红移上限的可靠性。
• 该分析证实本征TeV谱指数不可能比GeV谱指数更硬，支持了该方法的物理解释基础。