[论文解读] Increasing the Number of TeV Blazars with Parsec-Scale Kinematics

Vivian C. Tiet, B. G. Piner+1 more|arXiv (Cornell University)|May 10, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 5

一句话总结

本研究利用5–22 GHz波段的多 epoch VLBA观测，测量了五个TeV辐射的高光度频峰BL Lac对象（HBLs）的毫秒级喷流运动学，发现其表观喷流速度显著低于射电选源的耀变体（通常<2c）。结果证实，HBLs在毫秒级喷流中具有适中的洛伦兹因子（约2–3），表明存在洛伦兹因子梯度——可能源于喷流结构（如快速核心与慢速包层）——从而缓解了低射电喷流速度与TeV辐射区域推断出的高洛伦兹因子之间的矛盾。

ABSTRACT

We report on our observations of the parsec-scale radio jet structures of five blazars that have been detected by ground-based TeV gamma-ray telescopes. These five blazars all belong to the class of high-frequency peaked BL Lac objects (HBLs), which are the most common blazar type detected at the TeV energy range. Because of their relative faintness in the radio, these HBLs are not well represented in other radio blazar surveys. Our observations consist of five epochs of Very Long Baseline Array (VLBA) imaging from 2006 to 2009, of each of the five blazars 1ES 1101-232, Markarian 180, 1ES 1218+304, PG 1553+113, and H 2356-309, at frequencies from 5 to 22 GHz. Fundamental jet properties, including the apparent jet speeds, that can be measured from these multi-epoch series of VLBA images are presented and compared with other gamma-ray blazars. Confirming prior work, we find that the TeV HBLs have significantly slower apparent jet speeds than radio-selected blazars. Together with other radio properties of the HBL class, this suggests modest Lorentz factors in their parsec-scale radio jets. This in turn suggests some form of Lorentz factor gradient in these jets, since they are likely to have high Lorentz factors in their TeV-emitting regions. The study presented here approximately doubles the number of TeV HBLs with multi-epoch parsec-scale kinematic measurements.

研究动机与目标

• 测量在现有VLBI调查中代表性不足的射电暗TeV HBLs的毫秒级喷流运动学。
• 检验TeV HBLs的低射电光度是否与其毫秒级喷流中的低速和低洛伦兹因子相关。
• 通过与更明亮的射电选耀变体比较，探究HBLs中相对论喷流的物理结构。
• 评估观测到的喷流运动学是否支持洛伦兹因子梯度模型（如快速核心被较慢的包层包围）。
• 将具有多 epoch 毫秒级运动学测量的TeV HBLs数量大约翻倍，以增强喷流物理研究的统计能力。

提出的方法

• 对五个TeV HBLs（1ES 1101−232、Markarian 180、1ES 1218+304、PG 1553+113 和 H 2356−309）在2006–2009年间进行了五次观测，使用VLBA在5–22 GHz波段进行成像。
• 采用直接fringe拟合和相位参考法（对三个源）以实现毫角秒级的高精度位置测量。
• 在AIPS中进行数据校准，在Difmap中成像，并使用高斯分量对 visibilities 进行模型拟合，以实现亚 beam 分辨率。
• 通过核心与组分分离距离随时间的线性拟合测量表观喷流速度，误差传播采用P07方法。
• 使用宇宙学参数（H₀ = 71 km s⁻¹ Mpc⁻¹，Ωₘ = 0.27，ΩΛ = 0.73）将速度换算为光速c的单位。
• 将结果与射电参考帧图像数据库中的射电选耀变体样本进行比较，以评估统计差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 TeV辐射的HBLs是否表现出显著低于射电选耀变体的表观喷流速度？
• RQ2 所测得的喷流速度对HBLs毫秒级射电辐射区域的洛伦兹因子有何含义？
• RQ3 鉴于低射电喷流速度与高TeV辐射区域洛伦兹因子之间的矛盾，是否存在HBLs中沿或横跨喷流的洛伦兹因子梯度的证据？
• RQ4 在喷流结构与动力学方面，射电暗HBLs的运动学特性与更明亮的射电选耀变体相比如何？
• RQ5 多 epoch VLBA观测能否在HBLs中解析出横向喷流结构或边缘增亮特征，如在邻近源（如Markarian 421）中所见？

主要发现

• 本研究将具有多 epoch 毫秒级运动学测量的TeV HBLs数量大约翻倍，目前总数达到11个此类源。
• 新测量的五个HBLs中，表观喷流速度范围为−4.32 ± 3.78c至0.81 ± 0.69c，所有测量值均低于2c，且无一例在2σ显著性水平以上。
• 在所研究的11个TeV HBLs中，最快表观速度的分布与射电选耀变体显著不同（置信度p > 99.99%），后者通常表现出数倍c的速度。
• 缺乏超光速运动表明，HBLs毫秒级射电喷流中的洛伦兹因子Γ ≈ 2–3，这与解释TeV变亮所需的Γ ≈ 50形成鲜明对比。
• 观测到的运动学特性与结构化喷流模型一致，如快速核心被较慢的包层包围，或喷流沿长度方向减速的模型。
• 在邻近HBLs的VLBI图像中观测到横向结构（如边缘增亮），支持喷流等离子体中存在速度梯度。