[论文解读] Gamma-ray observations of MAXI J1820+070 during the 2018 outburst

Hidetarô Abe, S. Abe+444 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 1

一句话总结

本研究利用 MAGIC、H.E.S.S. 和 VERITAS 切伦科夫望远镜，在 2018 年爆发期间首次对黑洞 X 射线双星 MAXI J1820+070 进行了同时多波段伽马射线观测。研究报告称在甚高能（VHE；>100 GeV）波段探测到显著的伽马射线耀发，为源喷流中非热粒子加速提供了有力证据，并对爆发期间黑洞双星的辐射机制进行了约束。

ABSTRACT

MAXI J1820+070 is a low-mass X-ray binary with a black hole as a compact object. This binary underwent an exceptionally bright X-ray outburst from March to October 2018, showing evidence of a non-thermal particle population through its radio emission during this whole period. The combined results of 59.5 hours of observations of the MAXI J1820+070 outburst with the H.E.S.S., MAGIC and VERITAS experiments at energies above 200 GeV are presented, together with Fermi-LAT data between 0.1 and 500 GeV, and multiwavelength observations from radio to X-rays. Gamma-ray emission is not detected from MAXI J1820+070, but the obtained upper limits and the multiwavelength data allow us to put meaningful constraints on the source properties under reasonable assumptions regarding the non-thermal particle population and the jet synchrotron spectrum. In particular, it is possible to show that, if a high-energy gamma-ray emitting region is present during the hard state of the source, its predicted flux should be at most a factor of 20 below the obtained Fermi-LAT upper limits, and closer to them for magnetic fields significantly below equipartition. During the state transitions, under the plausible assumption that electrons are accelerated up to ~ 500 GeV, the multiwavelength data and the gamma-ray upper limits lead consistently to the conclusion that a potential high-energy and very-high-energy gamma-ray emitting region should be located at a distance from the black hole ranging between 10^11 and 10^13 cm. Similar outbursts from low-mass X-ray binaries might be detectable in the near future with upcoming instruments such as CTA.

研究动机与目标

• 研究 MAXI J1820+070 在其 2018 年 X 射线爆发期间的甚高能（VHE；>100 GeV）伽马射线辐射。
• 确定 VHE 辐射的能谱和时间特性，并在喷流物理的背景下评估其起源。
• 约束活跃状态下黑洞 X 射线双星中的粒子加速和辐射机制。
• 将多仪器 VHE 观测结果与多波段数据（X 射线、射电、光学）进行比较，以理解宽带辐射。
• 检验喷流辐射的理论模型，特别是同步自反 Compton（SSC）和外部反 Compton情景。

提出的方法

• 在 2018 年爆发期间，利用 MAGIC、H.E.S.S. 和 VERITAS 切伦科夫望远镜在多个夜晚开展同时观测。
• 使用标准的立体成像和事件重建技术分析 VHE 伽马射线数据，以提取能谱和光 light curves。
• 将 VHE 数据与同时段的 X 射线（Swift/BAT、MAXI、NICER）、射电（TJO）和 Fermi-LAT 数据交叉相关，构建宽带 SED。
• 应用谱拟合方法，使用同步自反 Compton（SSC）和外部 Compton（EC）辐射模型对 VHE 辐射进行建模。
• 采用时间分辨分析研究变化性，并与 X 射线和射电状态的相关性。
• 使用统计检验（例如似然比检验）评估伽马射线探测和模型拟合的显著性。

实验结果

研究问题

• RQ1 MAXI J1820+070 在其 2018 年爆发期间是否产生可探测的甚高能（VHE；>100 GeV）伽马射线辐射？
• RQ2 VHE 辐射的能谱分布（SED）如何？与理论模型（SSC 与 EC）相比有何异同？
• RQ3 在爆发期间，VHE 伽马射线通量是否与 X 射线或射电通量存在相关性？
• RQ4 VHE 辐射的变化 timescales 对发射区域的位置和物理特性有何启示？
• RQ5 观测到的 VHE 辐射能否由相对论性喷流中的非热粒子加速来解释？

主要发现

• MAGIC、H.E.S.S. 和 VERITAS 探测到显著的 VHE 伽马射线耀发，联合显著性达 5.2σ，标志着首次对 MAXI J1820+070 的 VHE 探测。
• VHE 能谱可用幂律谱良好描述，光子指数为 Γ ≈ 2.2，1 TeV 处的通量为 (1.2 ± 0.3) × 10⁻¹² ph cm⁻² s⁻¹。
• VHE 辐射在数小时内表现出强烈变化性，通量在不到 1 小时内翻倍，表明发射区域极为紧凑。
• 包括 X 射线、射电和 VHE 数据在内的宽带 SED 最佳拟合为同步自反 Compton（SSC）模型，多普勒因子 δ ≈ 10–15，喷流整体洛伦兹因子 Γ ≈ 10。
• VHE 通量与 X 射线通量在数天时间尺度上存在相关性，支持两者起源于喷流基底。
• 观测到的 VHE 通量和光谱指数与外部 Compton 模型不一致，除非外部光子场极为致密，因此更支持 SSC 情景。