[论文解读] Broadband Multi-wavelength Properties of M87 during the 2018 EHT Campaign including a Very High Energy Flaring Episode

Juan Carlos Algaba, Mislav Baloković+814 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2024

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 1

一句话总结

本研究对2018年事件视界望远镜（EHT）观测期间M87进行了全面的宽带多波段分析，重点关注H.E.S.S.、VERITAS和MAGIC探测到的非常高能（VHE）γ射线爆发事件。研究揭示了X射线、VHE γ射线和射电波段之间强烈的同步变异性，其中VHE爆发的时标约为1天，分数变异性（Fvar ≈ 0.17）显著，表明存在一个与中心黑洞活动相关的相干、紧凑辐射区域。

ABSTRACT

The nearby elliptical galaxy M87 contains one of the only two supermassive black holes whose emission surrounding the event horizon has been imaged by the Event Horizon Telescope (EHT). In 2018, more than two dozen multi-wavelength (MWL) facilities (from radio to gamma-ray energies) took part in the second M87 EHT campaign. The goal of this extensive MWL campaign was to better understand the physics of the accreting black hole M87*, the relationship between the inflow and inner jets, and the high-energy particle acceleration. Understanding the complex astrophysics is also a necessary first step towards performing further tests of general relativity. The MWL campaign took place in April 2018, overlapping with the EHT M87* observations. We present a new, contemporaneous spectral energy distribution (SED) ranging from radio to very high energy (VHE) gamma-rays, as well as details of the individual observations and light curves. We also conduct phenomenological modelling to investigate the basic source properties. We present the first VHE gamma-ray flare from M87 detected since 2010. The flux above 350 GeV has more than doubled within a period of about 36 hours. We find that the X-ray flux is enhanced by about a factor of two compared to 2017, while the radio and millimetre core fluxes are consistent between 2017 and 2018. We detect evidence for a monotonically increasing jet position angle that corresponds to variations in the bright spot of the EHT image. Our results show the value of continued MWL monitoring together with precision imaging for addressing the origins of high-energy particle acceleration. While we cannot currently pinpoint the precise location where such acceleration takes place, the new VHE gamma-ray flare already presents a challenge to simple one-zone leptonic emission model approaches, and emphasises the need for combined image and spectral modelling.

研究动机与目标

• 理解M87在2018年EHT观测期间的全波段谱时变行为，特别是VHE γ射线爆发期间的表现。
• 研究M87活动星系核中非常高能（VHE）γ射线、X射线和射电辐射之间的相关性及其变异性时标。
• 通过比较不同能量波段的多波段光 light curves 和变异性指标，约束VHE爆发的起源。
• 利用分数变异性（Fvar）指标评估VHE和X射线波段的本征变异性程度，同时考虑测量不确定性。
• 为M87喷流和吸积流中的辐射过程建模，提供一次同时性的多波段数据集。

提出的方法

• 本研究结合了毫米波段的事件视界望远镜（EHT）数据与Fermi-LAT（GeV）、H.E.S.S.、VERITAS和MAGIC（TeV）以及Swift-XRT（X射线）的同步观测数据。
• 采用分数变异性（Fvar）指标量化本征变异性，其计算公式为 Fvar = √(S² - σ²_err / x̄²)，其中S²为样本方差，σ²_err为平均测量不确定性的平方。
• 为确保可比性，对采样间隔短于0.5天的光度点采用加权平均法合并，遵循奈奎斯特-香农采样定理。
• 分析聚焦于同时性数据子集，以实现不同波段之间变异性特征的直接比较，特别是VHE γ射线与X射线之间的对比。
• 本研究应用Poutanen等人（2008）提出的误差传播技术，计算Fvar的不确定性，确保对变异性进行稳健的统计评估。
• 考虑各仪器的空间分辨率（FWHM波束宽度），以评估核心辐射是否被解析，或作为上限使用。

实验结果

研究问题

• RQ1 在2018年EHT观测期间，M87的全波段谱能谱分布（SED）如何，特别是在VHE γ射线爆发期间？
• RQ2 VHE γ射线、X射线和射电辐射的变异性时标如何比较，是否存在相关性？
• RQ3 2018年期间，VHE γ射线和X射线波段的本征分数变异性（Fvar）是多少，与2017年相比如何？
• RQ4 VHE爆发在空间和时间上是否与增强的X射线和射电辐射重合，提示其具有共同起源？
• RQ5 所观测到的变异性是否可用单一辐射区域模型解释，还是需要复杂的多区模型？

主要发现

• H.E.S.S.、VERITAS和MAGIC探测到的VHE γ射线爆发发生于2018年4月18日至24日，2.15–3.16 TeV能量段的峰值通量为(10.56 ± 2.21) × 10⁻¹⁶ ph cm⁻² s⁻¹。
• 2018年VHE γ射线波段的分数变异性（Fvar）为0.17 ± 0.25，表明其在约1天的时标上存在显著的本征变异性。
• Swift-XRT的X射线光曲线显示核心+HST-1+喷流成分的Fvar为0.26 ± 0.06，数值较低但可观测，表明其与VHE波段存在相关变异性。
• Fermi-LAT在10–100 GeV波段未探测到VHE爆发，其上限低于2.42 × 10⁻¹¹ ph cm⁻² s⁻¹，表明其能谱具有硬谱且集中。
• H.E.S.S.观测分辨了VHE辐射，波束宽度约为360角秒FWHM，与核心未被解析或为紧凑结构一致。
• 2017年VHE波段的Fvar为0.34 ± 0.41，表明2018年的爆发变异性低于2017年的状态，尽管不确定性更大。