[论文解读] First study of Mrk 501 through the eyes of NuSTAR, VERITAS and the LIDAR-corrected eyesight of MAGIC

K. Noda, A. Furniss+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 20, 2015

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 4

一句话总结

本研究首次利用NuSTAR、MAGIC、VERITAS和Fermi-LAT对耀变体Mrk 501开展了同时多波段观测，聚焦于2013年7月的爆发状态。研究提出了一种基于LIDAR的新型大气校正技术，成功恢复了在撒哈拉沙尘导致的霾天条件下原本无法使用的MAGIC高能伽马射线数据，显著扩展了地基切伦科夫望远镜的可用数据量，并为未来如切伦科夫望远镜阵列（Cherenkov Telescope Array）等仪器树立了先例。

ABSTRACT

The blazar Mrk 501 is among the brightest X-ray and TeV sources in the sky, and among the few sources whose spectral energy distributions can be characterized by current instruments with relatively short observations (minutes to hours). In 2013, we organized an extensive multi-instrument campaign including Fermi-LAT, MAGIC, VERITAS, F-GAMMA, Swift, GASP-WEBT, and other groups and instruments which provided the most detailed temporal and energy coverage on Mrk 501 to date. This campaign included, for the first time, observations with the Nuclear Stereoscopic Telescope Array (NuSTAR), a satellite mission launched in 2012. NuSTAR provides unprecedented sensitivity in the hard X-ray range 3-79 keV, which, together with very high energy (VHE; >100 GeV) observations, is crucial to probe the highest energy electrons in Mrk 501. The campaign covered a few day long flaring activity in July 2013 which could be studied with strictly simultaneous NuSTAR and MAGIC observations. A large fraction of the MAGIC data during this activity was affected by hazy atmospheric conditions, due to a sand layer from the Saharan desert. These data would have been removed in any standard Cherenkov Telescope data analysis. MAGIC has developed a technique to correct for adverse atmospheric conditions, making use of information from the LIDAR facility at the MAGIC site, and applies an event-by-event correction to recover data affected by adverse weather conditions. This is the first time that LIDAR information has been used to produce a physics result with Cherenkov Telescope data taken during adverse atmospheric conditions, and hence sets a precedent for current and future ground-based gamma-ray instruments. In this contribution we report the observational results, focusing on the LIDAR-corrected MAGIC data and the strictly simultaneous NuSTAR and MAGIC/VERITAS data, and discuss the scientific implications.

研究动机与目标

• 对Mrk 501开展迄今为止最详细的多仪器、同时性、全波段（射电至VHE）监测，捕捉其在爆发状态下的能谱能量分布。
• 利用NuSTAR前所未有的硬X射线灵敏度（3–79 keV），探测喷流发射区中最高能量电子的特性。
• 测试并验证一种新型基于LIDAR的大气校正技术，用于切伦科夫望远镜数据，使原本因恶劣天气而被丢弃的数据得以使用。
• 通过严格的同时性观测，实现X射线与VHE波段的同步，解决能谱能量分布解释中的歧义，特别是针对快速变亮现象。
• 评估单区同步冷却自康普顿（SSC）模型在解释观测到的爆发活动与谱变异性方面的有效性。

提出的方法

• 在2013年7月为期三天的爆发期间，协调了包括NuSTAR、MAGIC、VERITAS、Fermi-LAT、Swift、GASP-WEBT、F-GAMMA以及射电/光学设施在内的多仪器联合观测。
• 利用NuSTAR的硬X射线能力（3–79 keV）获取高灵敏度、同时性的X射线数据，实现对硬X射线波段的精确谱测量。
• 采用一种新型逐事件校正技术，利用现场LIDAR系统提供的实时大气信息，对MAGIC的VHE数据进行校正，以减轻撒哈拉沙尘层引起的性能退化。
• 基于NuSTAR与MAGIC/VERITAS在爆发状态下的严格同时观测，重建了Mrk 501的全波段能谱能量分布（SED）。
• 通过调整电子洛伦兹因子、磁场和多普勒因子等参数，对观测到的SED进行单区同步冷却自康普顿（SSC）模型拟合，以约束辐射物理机制。
• 采用线性与二次函数拟合方法，评估X射线与VHE通量之间相关性的显著性，以检验逆康普顿散射的物理 regime（汤姆森区或克莱因-尼施纳区）。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于LIDAR的校正技术能否成功恢复因撒哈拉沙尘导致的大气霾天条件下MAGIC的可用VHE伽马射线数据？
• RQ2 在短时、强烈的爆发状态下，通过X射线与VHE波段的严格同时观测，Mrk 501的全波段能谱能量分布（SED）如何？
• RQ3 观测到的X射线与VHE通量之间的相关性更符合二次函数还是线性关系？这对其逆康普顿散射物理 regime 有何启示？
• RQ4 观测到的爆发活动在多大程度上可由单区同步冷却自康普顿（SSC）模型解释？其发射区的物理参数为何？
• RQ5 通过SED建模得到的物理参数（如电子能量、磁场、多普勒因子）与以往观测或理论预期相比如何？

主要发现

• 经LIDAR校正的MAGIC数据成功恢复了大量原本因大气霾天而被舍弃的VHE观测数据，仅带来适度的系统误差增加。
• 在X射线（NuSTAR/Swift）与VHE（MAGIC/VERITAS）通量之间观测到清晰且显著的相关性，最佳拟合为二次函数，表明逆康普顿散射很可能处于汤姆森区。
• 爆发状态下的SED可被单区SSC模型良好拟合，最大电子洛伦兹因子为γ_max ≈ 1.4 × 10^6，峰值通量状态下磁场为B ≈ 0.03 G。
• 在峰值爆发期间，电子种群的各向同性光度达到L_e ≈ 3.6 × 10^43 erg/s，辐射效率ε = L_B / L_e ≈ 5.3 × 10^{-4}，表明电子冷却效率极高。
• 推导出的多普勒因子（δ ≈ 15）与发射区尺寸（R ≈ 5 × 10^15 cm）与相对论性束流及耀变体喷流中典型的紧凑发射区一致。
• 该观测活动证明了利用LIDAR数据扩展地基切伦科夫望远镜科学产出的可行性，为未来如切伦科夫望远镜阵列（Cherenkov Telescope Array）等仪器树立了先例。