[论文解读] H.E.S.S. discovery of very-high-energy emission from the blazar PKS 0736+017: on the location of the $γ$-ray emitting region in FSRQs

M. Cerruti, J.-P. Lenain+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2017

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 4

一句话总结

H.E.S.S. 报告了对平光谱射电类星体 PKS 0736+017（z = 0.189）的首个甚高能（VHE；E > 100 GeV）γ射线辐射探测，确认其为第六个已知的 VHE FSRQ。利用同时期 Fermi-LAT 和 H.E.S.S. 数据的光学厚度、变异性及冷却约束，该研究将 γ射线辐射区域定位在 r > 8 × 10¹⁶ cm 处，排除了喷流中宽线区附近的辐射，其最小喷流整体洛伦兹因子 Γ ≳ 10。

ABSTRACT

With the installation of a new 28-m diameter imaging atmospheric Cherenkov telescope in the middle of the array, the H.E.S.S. instrument has entered since 2012 into its Phase II. The fifth large-size telescope is particularly important to lower the threshold energy of the array, and is thus a unique instrument to observe low-frequency-peaked blazars, such as flat-spectrum radio-quasars (FSRQs), which remain rare in the very-high- energy (VHE; E $>$ 100 GeV) $γ$-ray domain. In this contribution, we report on the discovery with the H.E.S.S. telescopes of VHE $γ$-ray emission from the FSRQ PKS 0736+017 (z=0.189). H.E.S.S. observations were triggered as a target-of-opportunity in February 2015 following the detection of $γ$-ray flaring activity in the MeV-GeV energy-band with Fermi-LAT. Significant VHE emission is detected with H.E.S.S. only during one of the nights of the observing campaign, showing at least night-by-night variability in the VHE regime. We discuss the location of the $γ$-ray emitting region within the relativistic jet, using opacity and variability constraints.

研究动机与目标

• 利用多波段 γ射线数据，确定 FSRQ PKS 0736+017 相对论性喷流中 γ射线辐射区域的位置。
• 解决长期以来低频峰值类 FSRQ 在 VHE 领域稀少所导致的喷流辐射区域模糊问题。
• 利用光谱和变异性约束，检验 γ射线产生机制的两种竞争模型——单区域或多个区域。
• 基于光学厚度、变异性 timescale 和冷却 timescale 约束，确定最小洛伦兹因子和辐射半径。

提出的方法

• 利用 H.E.S.S. Phase II 数据，针对 2015 年 2 月 Fermi-LAT 观测到爆发活动触发的机遇目标观测计划。
• 采用单镜面（仅 28 米望远镜）和立体配置（≥2 台望远镜）进行分析，以优化灵敏度和能量阈值。
• 应用 ImPACT 和模型分析链，重建契伦科夫簇射图像并提取 VHE 光子通量。
• 利用 γγ 对产生光学厚度约束辐射区域相对于宽线区（BLR）的位置，假设吸收限制了 VHE 谱。
• 利用 Fermi-LAT 观测到的 ≈12 小时时变 timescale 估算辐射区域大小，公式为 R ≈ cτδ/(1+z)，并将其与喷流整体洛伦兹因子 Γ 和张角 θ 关联。
• 施加冷却 timescale τ_c ≤ τ 约束，以限制最大能量损失率，从而在 Γ–r 平面中划出被排除的区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 PKS 0736+017 的相对论性喷流中，其 VHE 辐射和 MeV–GeV 增强活动下，γ射线辐射区域位于何处？
• RQ2 Fermi-LAT（MeV–GeV）与 H.E.S.S.（VHE）能量之间观测到的谱 break 是否可归因于宽线区内的 γγ 吸收？这对其辐射区域位置有何含义？
• RQ3 在观测到的变异性 timescale 和准直性约束下，与之相容的最小整体洛伦兹因子 Γ 是多少？
• RQ4 冷却 timescale 和变异性 timescale 约束是否共同排除了靠近黑洞或位于宽线区内的辐射区域？

主要发现

• H.E.S.S. 仅在 2015 年 2 月 19 日探测到 PKS 0736+017 的显著 VHE γ射线辐射，表明 VHE 波段存在强烈的逐日变异性。
• Fermi-LAT（MeV–GeV）与 H.E.S.S.（VHE）能量之间观测到的谱 break 与 γγ 对产生光学厚度一致，暗示最小辐射半径 r > 8 × 10¹⁶ cm。
• 光学厚度约束得出光学厚度上限 ≃2，排除了宽线区内的辐射源位置。
• 约 12 小时的变异性 timescale 暗示最小整体洛伦兹因子约为 10，假设存在相对论性束射且多普勒因子为 δ。
• 冷却 timescale 约束与变异性结合，排除了高洛伦兹因子和小半径的辐射区域，进一步支持辐射区域位于宽线区之外。
• 结果表明 VHE 辐射区域位于宽线区和尘埃环之外，支持一个紧凑、相对论性运动的单区域辐射模型，其位置在 r > 8 × 10¹⁶ cm 处。