[论文解读] Observation of the extremely bright flare of the FSRQ 3C279 with H.E.S.S. II

C. Romoli, M. Zacharias+6 more|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2017

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 7

一句话总结

H.E.S.S. II 在 2.2 小时有效时间内，以 8.7σ 显著性检测到高红移 FSRQ 3C 279 在极高能（VHE，>66 GeV）的极端明亮伽马射线耀发，采用单配置观测。陡峭的 VHE 能谱（Γ = 4.2 ± 0.3）和多波段数据限制了辐射模型，支持质子与缪子同步辐射的强子情景，并通过洛伦兹不变性破坏（LIV）分析，将量子引力尺度约束在 1.7–3.8 × 10¹⁷ GeV 之间，具体取决于模型。

ABSTRACT

In June 2015, the Flat Spectrum Radio Quasar 3C 279 underwent an extremely bright gamma-ray flare, with an increase of the flux above 100 MeV by a factor 10 in less than 1 day, revealing an intrinsic variability timescale of 2 minutes as detected by the Fermi-LAT. We present results of target of opportunity observations with the H.E.S.S. experiment on this source over the nights around the peak of the outburst. The H.E.S.S. data were analysed with mono and stereo chains. Thanks to the extreme brightness of the source at GeV energies, it was possible to obtain data from Fermi-LAT, strictly simultaneous to the H.E.S.S. observation. Simultaneous and quasi-simultaneous observations at optical and X-ray energies were gathered to reconstruct the multi-wavelength spectrum helping to constrain theoretical models describing the flare. The H.E.S.S. observation during the second night, using H.E.S.S. II MONO data, lead to a clear detection of the source in about 3 hours of live-time. The H.E.S.S. results were also used to derive limits on the Quantum Gravity scale under the assumption of Lorentz Invariance Violation. Furthermore, since FSRQs possess intense optical photon fields surrounding the central region near the black hole, the VHE data allows constraints on the location of the emitting region to be derived in order that internal absorption be avoided. The detection of VHE emission from the powerful flare of the FSRQ 3C 279 by H.E.S.S. II can provide unique insights into the physical properties of this class of blazar, thanks in part to the presence of simultaneous and quasi-simultaneous datasets at other wavelengths. Due to the high redshift of the source (z=0.54), it was also possible to derive strong constraints on the Quantum Gravity mass scale.

研究动机与目标

• 利用 H.E.S.S. II 研究 2015 年 3C 279 在 GeV 耀发期间的极端 VHE 伽马射线辐射。
• 通过考虑河外背景光（EBL）吸收和内部光子场吸收，约束 VHE 辐射区域的位置。
• 利用 Fermi-LAT、Swift 及光学/X 射线天文台的同步多波段数据，测试强子与轻子辐射模型。
• 通过搜索能量依赖的时间延迟，检验洛伦兹不变性破坏（LIV）效应，推导对量子引力尺度的限制。

提出的方法

• H.E.S.S. II 在耀发峰值期间，使用 CT5（28 米望远镜）的单触发模式执行目标机会观测，实现低于 100 GeV 的低能量阈值。
• 采用单触发与立体触发双链路分析，确保结果稳健并提升灵敏度。
• 利用同步的 Fermi-LAT 数据（能量高于 100 MeV）和准同步的 Swift X 射线与光学光 light curves，构建了宽带能谱能量分布（SED）。
• 通过 Franceschini 等人（2008）模型校正 EBL 吸收，以推断源的本征谱。
• 采用基于似然的方法，搜索光子到达时间中能量依赖的时间延迟，以检验线性与二次光速-能量依赖关系下的 LIV 效应。
• 通过假设源的最小距离以保证透明性，估算发射区域距离，避免来自黑洞附近密集光子场的内部吸收。

实验结果

研究问题

• RQ1 在扣除 EBL 吸收后，3C 279 在 2015 年耀发期间的本征 VHE 辐射谱形为何？
• RQ2 在考虑内部光子场吸收的约束下，VHE 辐射区域相对于中心黑洞的位置如何？
• RQ3 在从 GeV 到 TeV 能量范围的同步多波段 SED 中，哪种辐射模型——轻子或强子——能最好地解释观测数据？
• RQ4 观测到的 VHE 辐射及其时间行为是否可用于约束洛伦兹不变性破坏与量子引力尺度？

主要发现

• H.E.S.S. 在 2.2 小时有效时间内，以 8.7σ 显著性检测到 3C 279 在 66 GeV 以上的辐射，证实该源在耀发期间的极端明亮性。
• 本征 VHE 能谱最符合幂律谱，光子指数为 Γ = 4.2 ± 0.3，表明能谱极为陡峭。
• 扣除 EBL 吸收后，Fermi-LAT 与 H.E.S.S. 的联合 SED 显示，高能峰主导了耀发，低能同步辐射峰的变异性极小。
• 为避免来自黑洞附近密集光子场的内部吸收，辐射区域必须位于中心引擎至少 10¹⁷ cm 之外。
• 包含 GeV 能区质子同步辐射与 TeV 能区缪子同步辐射的强子模型，能成功描述多波段数据，而轻子模型无法再现 VHE 辐射通量。
• 未观测到显著的能量依赖时间延迟，因此在 95% 置信水平下，对量子引力尺度的限制为 1.7 × 10¹⁷ GeV（线性，亚光速）与 3.8 × 10¹⁷ GeV（线性，超光速），与先前的 GRB 和 AGN 结果一致。