[论文解读] Constraints on the emission region of 3C 279 during strong flares in 2014 and 2015 through VHE gamma-ray observations with H.E.S.S

H. E. S. S. Collaboration, H. Abdalla+225 more|UvA-DARE (University of Amsterdam)|Jun 12, 2019

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 75被引用 15

一句话总结

本研究利用H.E.S.S.在2014年和2015年强耀变体3C 279爆发期间获取的VHE伽马射线观测数据，对发射区域的位置进行约束。2015年观测到显著的8.7σ检测，使伽马射线通过宽线区吸收的估计更加可靠，得出95%置信度下限距离 r ≳ 1.7×10¹⁷ cm，表明发射区域位于宽线区之外，由于X射线和高能变异性拟合效果差，这一结果对简单的一 zone 模型提出了挑战。

ABSTRACT

The flat spectrum radio quasar 3C 279 is known to exhibit pronounced variability in the high-energy ($100\,$MeV$100\,$GeV) $γ$-ray domain. While the observation in 2014 provides an upper limit, the observation in 2015 results in a signal with $8.7\,σ$ significance above an energy threshold of $66\,$GeV. No VHE variability has been detected during the 2015 observations. The VHE photon spectrum is soft and described by a power-law index of $4.2\pm 0.3$. The H.E.S.S. data along with a detailed and contemporaneous multiwavelength data set provide constraints on the physical parameters of the emission region. The minimum distance of the emission region from the central black hole is estimated using two plausible geometries of the broad-line region and three potential intrinsic spectra. The emission region is confidently placed at $r\gtrsim 1.7 imes10^{17}\,$cm from the black hole, i.e., beyond the assumed distance of the broad-line region. Time-dependent leptonic and lepto-hadronic one-zone models are used to describe the evolution of the 2015 flare. Neither model can fully reproduce the observations, despite testing various parameter sets. Furthermore, the H.E.S.S. data are used to derive constraints on Lorentz invariance violation given the large redshift of 3C 279.

研究动机与目标

• 利用VHE伽马射线数据，在强耀变体爆发期间约束3C 279中VHE伽马射线发射区域的空间位置。
• 通过同时期的多波段光 light curves 和光谱，检验一 zone 束缚模型与一 zone 束缚模型的有效性。
• 利用伽马射线通过宽线区光子场的吸收，确定发射区域距离中心黑洞的距离。
• 评估模型预测的高能中微子在IceCube中的可探测性，并评估其区分不同模型的能力。
• 通过高能伽马射线数据，为洛伦兹不变性破坏（LIV）和量子引力效应的研究做出贡献。

提出的方法

• H.E.S.S.在2014年和2015年耀变体爆发期间对3C 279进行了VHE伽马射线观测，2015年在66 GeV以上观测到显著的8.7σ检测。
• 利用观测到的VHE能谱和同时期的高能（HE）能谱，对宽线区（BLR）光子场引起的伽马射线吸收进行建模。
• 应用时变的一 zone 束缚模型，以重现同时期的能谱能量分布（SED）和小时级变异性。
• 也测试了时变的束缚-强子模型，以评估强子成分对VHE发射的贡献。
• 通过假设宽线区模型，从光子-光子对产生光学厚度推导发射区域距离黑洞的距离。
• 将模型预测的高能中微子通量与IceCube的灵敏度进行比较，以评估其可探测性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在2015年爆发期间，3C 279中VHE伽马射线发射区域距离中心黑洞的最小距离是多少？
• RQ2 一 zone 束缚模型能否重现2015年爆发期间观测到的同时期SED和小时级变异性？
• RQ3 一 zone 束缚-强子模型是否能比束缚模型提供更优的数据拟合？
• RQ4 模型预测的高能中微子通量是否可被IceCube探测到？
• RQ5 观测对洛伦兹不变性破坏（LIV）能量尺度设定了何种约束？

主要发现

• 2015年爆发在66 GeV以上以8.7σ的显著性被探测到，使能谱和吸收分析更加可靠。
• VHE伽马射线能谱及宽线区光子场引起的吸收，得出发射区域距离黑洞的95%置信度下限为 r ≳ 1.7×10¹⁷ cm。
• 一 zone 束缚模型无法重现X射线谱，且在夜间2即使调整参数也过度高估伽马射线通量。
• 即使经过参数优化，束缚-强子模型也无法重现从爆发峰值到夜间2高能成分的下降趋势。
• 预测的高能中微子通量过低，无法被IceCube探测到，因此该途径无法作为区分不同模型的判别手段。
• 推导出的洛伦兹不变性破坏（LIV）能量尺度下限与其它耀变体活动星系核的观测结果相当，3C 279是未来切伦科夫望远镜阵列（Cherenkov Telescope Array）研究的优选目标。