[论文解读] The $γ$-ray sky seen at X-ray energies I. Searching for the connection between X-rays and $γ$-rays in Fermi BL Lac objects

E. J. Marchesini, A. Paggi+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 6, 2020

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 131被引用 5

一句话总结

本研究利用2400 ks的Swift/XRT数据结合Fermi-LAT数据，对351个Fermi BL Lac源中的X射线与γ射线辐射之间的关联进行了研究。结果发现X射线与γ射线通量或谱型之间无直接相关性，但揭示了X射线通量与中红外颜色之间存在显著相关性，表明这些耀变体中喷流辐射与尘埃再辐射之间存在关联。

ABSTRACT

BL Lac objects are an extreme type of active galactic nuclei (AGNs) that belong to the largest population of $γ$-ray sources: blazars. This class of AGNs shows a double-bumped spectral energy distribution that is commonly described in terms of a synchrotron self-Compton (SSC) emission process, whereas the low-energy component that dominates their emission between the infrared and the X-ray band is tightly connected to the high-energy component that peaks in the $γ$-rays. Two strong connections that link radio and mid-infrared emission of blazars to the emission in the $γ$-ray band are well established. They constitute the basis for associating $γ$-ray sources with their low-energy counterparts. We searched for a possible link between X-ray and $γ$-ray emissions for the subclass of BL Lacs using all archival Swift/XRT observations combined with Fermi data for a selected sample of 351 sources. Analyzing $\sim$2400 ks of Swift/XRT observations that were carried out until December 2018, we discovered that above the $γ$-ray flux threshold $F_γ\approx3 imes10^{-12}\, m{erg}\, m{cm}^{-2}\, m{s}^{-1}$, 96\% of all \emph{Fermi} BL Lacs have an X-ray counterpart that is detected with signal-to-noise ratio higher than 3. We did not find any correlation or clear trend between X-ray and $γ$-ray fluxes and/or spectral shapes, but we discovered a correlation between the X-ray flux and the mid-infrared color. Finally, we discuss on a possible interpretation of our results in the SSC framework.

研究动机与目标

• 探索Fermi BL Lac源中X射线与γ射线辐射之间潜在的物理联系，这类源是主导的γ射线源类。
• 检验由于共享喷流起源，X射线辐射是否可作为BL Lac源中γ射线辐射的可靠代理。
• 通过分析X射线通量与中红外颜色之间的相关性，研究喷流-尘埃相互作用的作用。
• 评估在同步辐射自康普顿（SSC）框架下，观测到的相关性对BL Lac谱能分布的影响。
• 评估红移与黑洞质量对不同BL Lac亚类中光度与辐射特征的影响。

提出的方法

• 对351个Fermi BL Lac源的2400 ks Swift/XRT观测数据进行了系统分析，重点关注X射线通量与谱型硬化度。
• 将X射线数据与Fermi-LAT γ射线源星表（3FGL）进行交叉匹配，识别出通量阈值高于3×10⁻¹² erg cm⁻² s⁻¹的对应源。
• 利用AllWISE巡天的中红外测光数据，计算[4.6]–[12] μm颜色指数以进行相关性分析。
• 在0.5–10 keV能量 band内计算X射线谱硬化比（HR_X），以评估高能与低能BL Lac亚类之间谱型变化与差异。
• 对77个具有红移数据的子样本计算了总光度与黑洞质量，以比较HBL与LBL群体的差异。
• 应用统计检验（p < 1×10⁻⁷）以验证观测到的相关性显著性，特别是X射线通量与中红外颜色之间的相关性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在Fermi BL Lac源中，X射线与γ射线通量之间是否存在显著相关性？
• RQ2 X射线谱型是否与同一源的γ射线谱特性相关？
• RQ3 BL Lac源中X射线辐射与中红外颜色之间是否存在可测量的关联？
• RQ4 高能（HBL）与低能（LBL）BL Lac亚类在X射线与γ射线特性上如何不同？
• RQ5 光度与黑洞质量分布对HBL与LBL源吸积态的含义是什么？

主要发现

• 96%的Fermi BL Lac源中，γ射线通量大于3×10⁻¹² erg cm⁻² s⁻¹的源在X射线波段具有可检测的对应源（信噪比 > 3），证实了两个波段之间存在强烈的观测关联。
• 未发现X射线通量与γ射线通量之间存在显著相关性，也未发现X射线与γ射线谱型之间存在相关性，表明在SSC模型中X射线辐射不能直接追踪γ射线辐射。
• X射线通量与中红外[4.6]–[12] μm颜色之间存在高度显著的相关性（p < 1×10⁻⁷），X射线更明亮的BL Lac源在中红外波段更蓝，提示存在喷流-尘埃相互作用或再辐射过程。
• HBL源表现出更硬的X射线谱型，且总光度更低，通常低于BZ极限，而部分LBL源超过该极限，暗示更高的吸积率。
• 在具有红移数据的子样本中，LBL源表现出更高的总光度，且更频繁地出现超过BZ极限的黑洞质量，表明存在持续吸积，而HBL源可能处于更演化、低吸积的状态。
• X射线谱硬化比随中红外颜色呈现趋势，进一步支持喷流辐射与尘埃再辐射之间的关联，尽管该关联与γ射线输出无直接联系。