[论文解读] Log-parabolic spectra and particle acceleration in blazars - II: The BeppoSAX wide band X-ray spectra of Mkn 501

E. Massaro, M. Perri+3 more|ArXiv.org|May 7, 2004

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 26被引用 51

一句话总结

本研究分析了 BeppoSAX 对高能峰 BL Lac 对象 Mkn 501 五年间的 X 射线观测数据，发现其 X 射线谱在所有光度状态下均最符合对数抛物线定律。同步辐射峰值能量与通量之间存在强烈相关性（E_peak ∝ F_b^{1.4}），且在 1997 年爆发期间观测到硬 X 射线超额，表明存在两组分发射模型，其中高能组分峰值位于 83–140 keV，其变化表明存在超越简单洛伦兹因子变化的复杂粒子加速过程。

ABSTRACT

We present the results of a spectral and temporal study of the complete set of BeppoSAX NFI (11) and WFC (71) observations of the BL Lac object Mkn 501. The WFC 2-28 keV data, reported here for the first time, were collected over a period of about five years, from September 1996 to October 2001. These observations, although not evenly distributed, show that Mkn 501, after going through a very active phase from spring 1997 to early 1999, remained in a low brightness state until late 2001. The data from the LECS, MECS and PDS instruments, covering the wide energy interval 0.1-150 keV, have been used to study in detail the spectral variability of the source. We show that the X-ray energy distribution of Mkn 501 is well described by a log-parabolic law in all luminosity states. This model allowed us to obtain good estimates of the SED synchrotron peak energy and of its associated power. The strong spectral variability observed, consisting of strictly correlated changes between the synchrotron peak energy and bolometric flux, suggests that the main physical changes are not only due to variations of the maximum Lorentz factor of the emitting particles but that other quantities must be varying as well. During the 1997 flare the high energy part of the spectrum of Mkn 501 shows evidence of an excess above the best fit log-parabolic law suggesting the existence of a second emission component that may be responsible for most of the observed variability.

研究动机与目标

• 利用 BeppoSAX 数据，研究 Mkn 501 在 0.1–150 keV 能量范围内的光谱与时间变异性。
• 检验对数抛物线谱模型是否在 Mkn 501 的 SED 中对同步辐射峰值提供比标准幂律更优的拟合。
• 确定光谱变异性是否仅由相对论性电子最大洛伦兹因子的变化驱动，或需要额外的物理参数。
• 利用同时多仪器数据，探索 X 射线波段中多组分发射的存在，特别是在 1997 年爆发期间。
• 通过使用对数抛物线组分建模 SED 并与光学数据对比，约束观测到的谱曲率与变异性物理起源。

提出的方法

• 分析 BeppoSAX 的 11 次指向型 NFI 观测（LECS、MECS、PDS）和 71 次偶然 WFC 检测，分别覆盖 0.1–150 keV 和 2–28 keV 能段。
• 使用由三个参数（幅度 K、曲率 b、峰值能量 E_peak）定义的对数抛物线谱模型拟合 X 射线能谱分布。
• 通过允许对数抛物线参数在观测间变化，特别是 1997 年爆发期间，建模光谱变异性。
• 通过在主组分（LE）上增加第二个对数抛物线组分（HE），测试双组分模型，使其具有不同的峰值能量和归一化，以解释 30 keV 以上的硬 X 射线超额。
• 利用观测到的通量变化约束 HE 组分参数，并要求与总 SED 保持一致，同时保持 LE 组分的曲率和归一化适度可变。
• 将双组分模型与单组分拟合结果进行比较，并评估其对观测到的 E_peak–通量相关性的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 Mkn 501 的 X 射线能谱分布是否在所有光度状态下均一致遵循对数抛物线定律？
• RQ2 观测到的光谱变异性背后的物理机制是什么，特别是同步辐射峰值能量与总通量之间存在强烈相关性（E_peak ∝ F_b^{1.4}）？
• RQ3 1997 年爆发期间观测到的硬 X 射线超额，是更宜用单个对数抛物线组分解释，还是需要额外的发射组分？
• RQ4 能否通过具有不同峰值能量和归一化的双组分发射模型再现观测到的谱曲率与通量变化？
• RQ5 在 1997 年爆发期间，高能组分（HE）的参数如何演化？这对其粒子加速过程意味着什么？

主要发现

• Mkn 501 的 X 射线 SED 在所有光度状态下均能被对数抛物线定律良好描述，其峰值能量（E_peak）与通量（F_b）之间存在显著相关性，符合 E_peak ∝ F_b^{1.4} 的幂律关系。
• 在 1997 年爆发期间，能量高于 30 keV 的光谱部分显著超出最佳拟合的对数抛物线模型，表明存在第二个发射组分。
• 高能组分（HE）的峰值位于 83–140 keV 之间，其归一化值在爆发期间剧烈变化，增加约 25 倍，而其曲率（b ≈ 0.35）几乎保持不变。
• 低能组分（LE）的通量中等程度增加约 20%，其峰值能量位于 0.5–5 keV 之间，曲率参数（a ≈ 1.68，b ≈ 0.18）与 1997 年数据一致。
• 双组分模型（一个组分峰值约 1–5 keV，另一个组分峰值 83–140 keV）对观测到的 SED 拟合极佳，尤其能解释硬 X 射线超额。
• 两组分曲率（b）值的相似性表明其源于相似的物理条件，暗示尽管峰值能量和通量不同，但可能存在相同的加速机制。