[论文解读] OVRO 40 m Blazar Monitoring Program: Location of the gamma-ray emission region in blazars by the study of correlated variability at radio and gamma-rays

W. Max-Moerbeck, J. L. Richards+6 more|arXiv (Cornell University)|Mar 8, 2013

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 3

一句话总结

本研究通过分析OVRO 40米监测计划与Fermi-LAT数据中15 GHz射电与100 MeV–200 GeV伽马射线辐射之间的相关变异性，调查了耀变体中伽马射线辐射的空间位置。在86个明亮耀变体中，仅有一个源（J0238+1636）在−30 ± 8天的时延下表现出>3σ显著的射电-伽马射线相关性，表明伽马射线辐射可能起源于与射电喷流相同的区域，尽管需要更多数据来确认这一结论在更大样本中的适用性。

ABSTRACT

Blazars are powerful, variable emitters from radio to gamma-ray wavelengths. Even though the general picture of synchrotron emission at low energies and inverse Compton at the high energy end is well established, many important aspects of these remarkable objects are still not well understood. For example, even the location of the gamma-ray emission region is still not clearly established, with some theories locating it close to the black hole/accretion disk while others place it at parsec scales in the radio jet. Since mid-2007 we have carried out a large scale monitoring program at 15 GHz using the OVRO 40 m telescope. We are currently observing about 1700 blazars twice per week. The sample includes all the Fermi-LAT detected blazars north of declination -20 degrees. Here, we study the existence of correlated variability between these two bands for 86 sources bright enough to be detected weekly by LAT. The existence of correlated variability can be interpreted as an indication of a related spatial locations for the radio and gamma-ray emission, making the evaluation of its statistical significance a key goal of our program. A study of the statistical significance of these cross-correlations is presented along with a discussion of the Monte Carlo simulations used to evaluate them. More information about the conditions on the radio emission zone can be obtained through polarization monitoring which tells us about the configuration of the magnetic fields in this region. To study radio polarization variability we are building KuPol, a radio polarization receiver for the 12 to 18 GHz band that will replace the current total power receiver at the OVRO 40 meter telescope.

研究动机与目标

• 确定耀变体中伽马射线辐射的空间位置，其位置尚不确定：是靠近黑洞的喷流内区还是秒差距量级的喷流区域。
• 检验射电与伽马射线波段之间变异性相关性是否表明存在共同的辐射区域。
• 通过交叉相关性的统计显著性检验，推断辐射区域之间的物理关联。
• 通过KuPol接收机的新偏振测量，改进长期监测，以研究磁场演化。
• 将分析扩展至包括重大爆发事件，如Mrk 421在2012年的爆发，以评估长时间基线上的变异性相关性。

提出的方法

• 对2008–2012年间每周分箱的射电光曲线（15 GHz，OVRO 40 m）与伽马射线光曲线（100 MeV–200 GeV，Fermi-LAT）进行交叉相关性分析。
• 使用离散相关函数（DCF）处理光曲线中不均匀采样的问题。
• 通过20,000次蒙特卡洛模拟估计随机交叉相关幅度的分布，并评估显著性。
• 采用功率谱密度（PSD）建模，P(f) ∝ 1/f^β：β_radio = 2.3（来自OVRO样本），β_γ = 1.6（来自明亮BL Lacs和FSRQs）。
• 通过模拟随机相关性的p值评估统计显著性，显著性阈值设定为2σ和3σ。
• 纳入扩展光曲线，包括2012年Mrk 421耀发，以评估时延的一致性，但需注意事后分析可能带来的偏差。

实验结果

研究问题

• RQ1 在Fermi探测到的耀变体中，射电与伽马射线变异性之间是否存在显著的时间延迟，表明辐射区域之间存在物理关联？
• RQ2 在考虑噪声与不均匀采样后，射电与伽马射线光曲线之间观测到的交叉相关性的统计显著性如何？
• RQ3 观测到的相关性能否约束伽马射线辐射区域的位置——更靠近黑洞还是在喷流的秒差距量级距离处？
• RQ4 重大耀发事件（如2012年Mrk 421爆发）如何影响观测到的射电-伽马射线相关性？
• RQ5 通过即将启用的KuPol接收机测量的偏振变化，在多大程度上有助于追踪辐射区域中磁场演化的轨迹？

主要发现

• 在86个明亮Fermi探测耀变体中，仅有63个在射电与伽马射线波段均表现出可检测的变异性，限制了交叉相关性分析的样本量。
• 一个源J0238+1636在−30 ± 8天的时延下表现出>3σ显著的交叉相关性峰值，置信水平达99.9%，表明射电与伽马射线辐射区域可能存在共位。
• 另有六个源表现出>2σ相关性，但其中五个因噪声过高或趋势缓慢而被认为不可靠，仅J1504+1029被认定为可信候选源，其显著性为98.5%，时延为−40 ± 13天。
• 2012年Mrk 421的剧烈耀发表现出两个显著的交叉相关性峰值：一个在520天（显著性98.8%），另一个在−40天（显著性96.3%），但后者存在事后分析偏差。
• 射电波段的PSD指数测量为β_radio = 2.3，伽马射线波段为β_γ = 1.6，与先前的群体研究结果一致。
• KuPol新接收机（12–18 GHz偏振）的开发将使未来研究磁场结构及其在辐射变异性中作用成为可能。