[论文解读] Flaring activity of Mrk 421 in 2012 and 2013: orphan flare and multiwavelength analysis

N. Fraija, J. I. Cabrera+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 6, 2015

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 4

一句话总结

本研究利用费米-LAT、Swift 和地基光学望远镜的数据，分析了 2012 年和 2013 年耀变体 Mrk 421 的多波段耀发活动。研究识别出 2012 年一个无硬 X 射线对应物的 GeV γ 射线孤立耀发，而 2013 年的耀发则在 GeV γ 射线、X 射线和光学波段表现出相关联的变异性，尽管光学 R 波段峰值存在反相关，但仍支持单区同步辐射自 Compton（SSC）模型。

ABSTRACT

The first one started in 2012 July 16 (MJD 56124) and the second one in 2013 April 9 (MJD 56391). The multiwavelength data analysis shows that the $\\gamma$-ray flare observed in 2012 was not detected in the hard-X ray bands. This result is usually interpreted as an "orphan" flare. In 2013, the analysis of the multiwavelength light curves shows that there are two very bright states detected in the optical R-band. The first one in 2013 April 9 (R =11.74 $\\pm$ 0.04) and the second one in May 12 (R =11.62 $\\pm$ 0.04). Also, high activity states were detected in the soft and hard X-rays. A discrete correlation function analysis of this last flare shows a strong correlation between the GeV $\\gamma$-rays and the optical/hard-X ray emission. These results are discussed in terms of the more adequate standard scenarios that could explain the multiwavelength variations displayed by this blazar.

研究动机与目标

• 研究 Mrk 421 在 2012 年和 2013 年两个高活动期的多波段行为。
• 确定 2012 年缺乏硬 X 射线对应物的 GeV γ 射线耀发是否真正属于‘孤立耀发’。
• 评估 2013 年耀发期间 GeV γ 射线、X 射线和光学 R 波段辐射之间的相关性。
• 评估观测到的变异性与标准单区 SSC 模型及替代性强子模型的一致性。

提出的方法

• 利用费米-LAT（GeV γ 射线，200 MeV–300 GeV）、Swift-XRT（软 X 射线，0.2–10 keV）和 Swift-BAT（硬 X 射线，15–50 keV）的数据构建多波段光 light curves。
• 使用圣佩德罗马丁尔天文台的 0.84 米望远镜获取光学 R 波段测光数据，并辅以 AAVSO 数据进行对比。
• 应用离散相关函数（DCF）分析以量化 GeV γ 射线光 light curves 与 X 射线/光学光 light curves 之间的时延。
• 分析谱谱能量分布（SED），以评估与轻子型（SSC）和强子型（SPB）辐射模型的一致性。
• 基于通量阈值识别耀发状态：γ 射线通量 > 1.0 × 10⁻⁶ ph cm⁻² s⁻¹ 且 R 波段星等 < 12.0。
• 将理论模型（包括单区 SSC 和质子-光子相互作用情景）与观测数据进行对比评估。

实验结果

研究问题

• RQ1 Mrk 421 在 2012 年的 GeV γ 射线耀发是否真正孤立，即未检测到硬 X 射线辐射？
• RQ2 2013 年耀发期间多波段相关性的本质是什么，特别是 GeV γ 射线与光学/硬 X 射线辐射之间的关系？
• RQ3 5 月 12 日光学 R 波段峰值与其它波段呈现反相关，是否对标准单区 SSC 模型构成挑战？
• RQ4 2012 年的孤立耀发能否通过强子过程（如质子-光子相互作用产生的中性 π 介子衰变）解释？
• RQ5 γ 射线、X 射线和光学波段的同时变异性对耀变体喷流物理条件有何启示？

主要发现

• 2012 年的 GeV γ 射线耀发（MJD 56124）被确认为孤立耀发，尽管 γ 射线活动强烈，但 Swift-BAT 未检测到显著的硬 X 射线辐射。
• 2013 年耀发表现出两个明亮的光学 R 波段状态：4 月 9 日 R = 11.74 ± 0.04，5 月 12 日 R = 11.62 ± 0.04，均与高 γ 射线和 X 射线活动同时发生。
• 离散相关函数（DCF）分析显示，GeV γ 射线与硬 X 射线或光学 R 波段之间无显著时延，表明各波段变异性近乎同时发生。
• γ 射线、X 射线和光学波段的同时变异性支持 2013 年耀发的单区同步辐射自 Compton（SSC）模型。
• 5 月 12 日光学 R 波段峰值与 γ 射线和 X 射线通量呈反相关，对标准 SSC 模型构成挑战，提示存在复杂的辐射机制。
• 2012 年的孤立耀发与涉及质子-光子相互作用的强子模型一致，因为中性 π 介子衰变可产生 γ 射线而无 X 射线对应物。