[论文解读] The long-lasting activity of 3C 454.3. GASP-WEBT and satellite observations in 2008-2010

C. M. Raiteri, M. Villata+7 more|arXiv (Cornell University)|Jul 6, 2011

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 2被引用 49

一句话总结

该论文利用 GASP-WEBT、Swift、AGILE 和 Fermi 数据，研究了 2008 至 2010 年间耀变体 3C 454.3 的多波段变异性，提出长期通量变化源于弯曲、非均匀喷流中的几何结构变化。研究发现，γ 射线和 X 射线辐射源自同步辐射光子的逆康普顿散射（SSC 过程），时间延迟和通量比变化可通过随时间演变的同步辐射区与反 Compton化区之间微小的非对准关系来解释。

ABSTRACT

We present multiwavelength observations of 3C 454.3 from April 2008 to March 2010. The radio to optical data are mostly from the GASP-WEBT, UV and X-ray data from Swift, and gamma-ray data from the AGILE and Fermi satellites. We improved the calibration of optical-UV data from the UVOT and OM instruments and estimated the Lyalpha flux to disentangle the contributions from different components in this spectral region. The observations reveal prominent variability above 8 GHz. In the optical-UV band, the variability amplitude decreases with increasing frequency due to a steadier radiation from both a broad line region and an accretion disc. The optical flux reaches nearly the same levels in the 2008-2009 and 2009-2010 observing seasons; the mm one shows similar behaviour, whereas the gamma and X-ray flux levels rise in the second period. Two prominent gamma-ray flares in mid 2008 and late 2009 show a double-peaked structure, with a variable gamma/optical flux ratio. The X-ray flux variations seem to follow the gamma-ray and optical ones by about 0.5 and 1 d, respectively. We interpret the multifrequency behaviour in terms of an inhomogeneous curved jet, where synchrotron radiation of increasing wavelength is produced in progressively outer and wider jet regions, which can change their orientation in time. In particular, we assume that the long-term variability is due to this geometrical effect. By combining the optical and mm light curves to fit the gamma and X-ray ones, we find that the gamma (X-ray) emission may be explained by inverse-Comptonisation of synchrotron optical (IR) photons by their parent relativistic electrons (SSC process). A slight, variable misalignment between the synchrotron and Comptonisation zones would explain the increased gamma and X-ray flux levels in 2009-2010, as well as the change in the gamma/optical flux ratio during the outbursts peaks.

研究动机与目标

• 理解耀变体 3C 454.3 从射电至 γ 射线波段的多波段辐射之间的关联。
• 研究 2008 至 2010 年间观测到的长期显著变异性成因。
• 确定 γ 射线、X 射线、光学和射电波段观测到的通量变化是否源于内在耀发，或源于相对论性喷流中的几何效应。
• 评估喷流弯曲度和视向角变化在调制通量与谱谱能量分布中的作用。
• 通过对比光曲线与时间延迟，检验 γ 射线与 X 射线辐射的逆康普顿（SSC）模型。

提出的方法

• 整合了 2008 至 2010 年间 GASP-WEBT（射电至光学）、Swift（紫外/X 射线）和 Fermi/AGILE（γ 射线）观测的 18 波段光曲线。
• 改进了 UVOT 和 OM 仪器的定标，以估算 Lyα 通量，并分离宽线区与吸积盘的贡献。
• 应用互相关分析，测量 γ 射线、X 射线与光学波段通量变化之间的时间延迟。
• 假设不同喷流区域的同步辐射提供种子光子，采用同步辐射自反 Compton（SSC）过程对 γ 射线与 X 射线辐射进行建模。
• 提出一种弯曲、非均匀喷流模型，其中不同波长的发射区来自逐渐向外且更宽广的区域。
• 利用光学与毫米波通量的联合拟合，推断反 Compton化区相对于同步辐射区的位置与取向。

实验结果

研究问题

• RQ1 3C 454.3 从射电至 γ 射线波段的长期通量变异性由何原因引起？
• RQ2 X 射线、γ 射线与光学通量变化之间的时间延迟如何约束喷流的空间与运动学结构？
• RQ3 为何 2009 至 2010 年间 γ 射线通量增加，而光学与毫米波通量保持与 2008 至 2009 年季节相似？在耀发期间，γ/光学通量比为何变化？
• RQ4 观测到的多波段行为能否通过单一发射模型（如 SSC 过程）在弯曲喷流几何结构下得到解释？
• RQ5 发射区取向的变化在调制多普勒增强效应与通量比方面起何作用？

主要发现

• 2009 至 2010 年间，γ 射线与 X 射线通量水平上升，而光学与毫米波通量水平与 2008 至 2009 年季节保持相似。
• 2008 年中与 2009 年末的两次显著 γ 射线耀发表现出双峰结构，且 γ/光学通量比可变。
• 互相关分析显示，X 射线通量变化分别滞后于 γ 射线与光学变化约 0.5 天与 1 天。
• γ 射线辐射最合理的解释是：相对论性电子在主光学发射区稍下游区域，将光学至紫外波段的同步辐射光子逆康普顿上转换为高能光子。
• X 射线辐射来自下游区域，其中相对论性电子通过 SSC 过程将红外波段的同步辐射光子上转换为 X 射线光子。
• 同步辐射区与反 Compton化区之间存在微小且随时间变化的非对准关系，可解释 2009 至 2010 年间 γ 射线与 X 射线通量的增加，以及耀发期间 γ/光学通量比的变化。