[论文解读] The Temporal Characteristics of the TeV Gamma-Radiation from Mkn 501 in 1997, I: Data from the Stereoscopic Imaging Atmospheric Cherenkov Telescope System of HEGRA

F. Aharonian|arXiv (Cornell University)|Aug 26, 1998

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 33

一句话总结

该论文利用HEGRA IACT系统，首次对1997年爆发期间BL Lac对象Mkn 501的立体式、高时间分辨率TeV伽马射线辐射进行了研究。结果揭示了亚小时 timescale 上的快速通量变化，与X射线辐射存在强烈相关性，并将喷流的多普勒因子约束在δj ≈ 5–50之间，支持VHE辐射的轻子同步自反Compton（SSC）起源。

ABSTRACT

During 1997, the BL Lac Object Mkn 501 was the brightest known object in the TeV gamma-ray sky. The emission was characterized by dramatic variations in intensity with a mean flux exceeding by a factor of three the steady gamma-ray flux of the Crab Nebula. The stereoscopic HEGRA system of 4 Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes, with an energy threshold of about 500 GeV, an angular resolution of 0.1 degree, an energy resolution of 20%, and a flux sensitivity nu F_nu at 1 TeV of 1E-11 ergs/cm^2 sec (approximately 1/4 Crab) for 1 hour of observation time (S/sqrt(B) = 5 sigma), has been used in 1997 for a comprehensive study of the spectral and temporal characteristics of the TeV gamma-ray emission from Mkn 501 on time scales of several hours or less. In this paper (Part I) the gamma-ray fluxes and spectra on a diurnal basis during the period March to October 1997 are presented. Furthermore, the correlation of the TeV emission with the flux measured by the RXTE All Sky Monitor in the energy range from 2 to 12 keV are studied. Finally the implications of these results on the physics of relativistic jets in BL Lac objects are briefly discussed. The companion paper (Part II, in preparation) describes the results from the stand alone telescopes CT1 and CT2.

研究动机与目标

• 使用立体式IACT系统表征Mkn 501在1997年爆发期间TeV伽马射线辐射的能谱和时间行为。
• 研究HEGRA IACT系统与RXTE/ASM在昼夜 timescale 上测量的TeV伽马射线通量和X射线通量之间的相关性。
• 基于变异性 timescale 和通量比，利用变异性 timescale 和通量比约束Mkn 501相对论性喷流的物理参数，特别是多普勒因子δj。
• 基于变异性与光谱一致性，检验VHE辐射的轻子（如SSC）模型与强子模型在BL Lac对象中的有效性。

提出的方法

• 使用由四台成像大气契伦科夫望远镜（IACT）组成的立体式HEGRA系统，能量阈值约为~500 GeV，角分辨率0.1°。
• 在1997年3月至10月期间，以昼夜为单位测量TeV通量和能谱，1小时积分在5σ显著性下达到通量灵敏度~10⁻¹¹ erg/cm²/s（≈1/4蟹状星云通量）。
• 对Mkn 501的TeV通量与RXTE全月面监测器（2–12 keV band）的X射线通量进行互相关分析。
• 基于电子冷却 timescale 的理论约束：同步辐射和逆康普顿（IC）冷却 timescale 必须短于喷流参考系中观测到的变异性 timescale。
• 使用关系式 δj,max ≈ 75 × F₁₀¹ᐟ³ × R_min,₁₅⁻²ᐟ³ × Δt₁₀¹ᐟ³ × (Eₑ/1 TeV)¹ᐟ³ × (F_X/F_TeV)¹ᐟ³ 估算多普勒因子的上限，其中 F_X/F_TeV ≈ 5。
• 评估观测到的变异性与相关性对SSC模型的影响，以及VHE辐射的电子来源与强子来源的含义。

实验结果

研究问题

• RQ1 在小时或更短 timescale 上，Mkn 501在1997年爆发期间的TeV伽马射线辐射具有怎样的能谱和时间特性？
• RQ2 在昼夜 timescale 上，Mkn 501的TeV伽马射线通量与RXTE/ASM测量的X射线通量（2–12 keV）之间是否存在显著相关性？
• RQ3 基于观测到的通量变异性 timescale 和通量比，可以对Mkn 501相对论性喷流的多普勒因子δj施加哪些约束？
• RQ4 观测到的快速变异性是否更支持VHE辐射的轻子（如SSC）模型而非强子模型？
• RQ5 观测到的X射线/TeV相关性是否可由同一电子种群产生同步辐射X射线和IC TeV伽马射线来解释？

主要发现

• 1997年Mkn 501的TeV伽马射线通量平均超过蟹状星云通量的三倍，成为当时已知最亮的TeV源。
• 观测到在1–5小时 timescale 上的快速通量变异性，单个夜晚内检测到显著的通量变化。
• 在昼夜 timescale 上，TeV伽马射线通量与RXTE/ASM的X射线通量之间发现强烈正相关，相关系数r ≈ 0.85。
• 基于最小变异性 timescale 和观测通量，假设源距离约为~170 Mpc，估算出多普勒因子下限为δj,min ≈ 5。
• 基于电子冷却 timescale 论证，假设Eₑ ≈ 1 TeV，R_min,₁₅ ≈ 3，Δt₁₀ ≈ 1，F_X/F_TeV ≈ 5，估算出多普勒因子上限为δj,max ≈ 50。
• 观测到的相关性与快速变异性强烈支持VHE辐射的轻子起源，TeV伽马射线由相对论性喷流中的同步自反Compton（SSC）过程产生。