[论文解读] Variability in the synchrotron self-Compton model of blazar emission

A. Mastichiadis, J. G. Kirk|arXiv (Cornell University)|Oct 9, 1996

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 47

一句话总结

本文提出了一种时变的同步辐射自康普顿（SSC）模型来解释耀变体喷流的辐射，通过模拟电子注入、冷却及光子演化过程，解释了Mkn 421中观测到的快速耀斑。结果表明，电子最大能量的突然增加即可重现1994年观测到的keV与TeV波段同时耀发，其中X射线波段对加速物理过程最为敏感。

ABSTRACT

We present a model of the spectra of gamma-ray emitting blazars in which a single homogeneous emission region both emits synchrotron photons directly and scatters them to high (gamma-ray) energy before emission (a ``synchrotron self-Compton'' or SSC model). In contrast to previous work, we follow the full time dependent evolution of the electron and photon spectra, assuming a power-law form of the electron injection and examine the predictions of the model with regard to variability of the source. We apply these computations to the object Mkn 421, which displayed rapid variability in its X-ray and TeV emission during a multiwavelength campaign in 1994. This observation strongly implies that the same population of electrons produces the radiation in both energy bands. By fitting first the observed quiescent spectrum over all 18 orders of magnitude in frequency, we show that the time dependence of the keV/TeV flare could have been the result of a sudden increase in the maximum energy of the injected electrons. We show also that different types of flare may occur in this object and others, and that the energy band most sensitive to the properties of the acceleration mechanism is the X-ray band.

研究动机与目标

• 模拟耀变体辐射的时变谱演化，特别是Mkn 421中观测到的快速耀斑。
• 检验单一电子种群是否能产生多波段观测所暗示的X射线与TeV伽马射线辐射。
• 研究电子注入与冷却动力学在塑造多波段耀斑中的作用。
• 确定哪个能量波段对电子加速机制的特性最敏感。
• 评估均匀SSC模型在不需引入非均匀结构的情况下重现观测变异性程度的有效性。

提出的方法

• 数值求解相对论性运动等离子体团中电子和光子分布的时变动力学方程。
• 包含关键物理过程：同步辐射、逆康普顿散射（汤姆森与克莱因-尼什纳 regimes）、光子-光子对产生及同步辐射自吸收。
• 假设幂律形式的电子注入谱，并通过时间依赖的最大电子能量来模拟耀斑。
• 使用洛伦兹变换计算地球参考系中的观测谱，考虑相对论性束射效应（多普勒增强）。
• 通过拟合18个十进制量级频率范围内的平静期谱来约束模型参数，随后模拟耀斑过程。
• 将模拟的光变曲线与光谱与1994年Mkn 421观测活动的多波段观测数据进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 单一均匀电子种群能否解释Mkn 421中观测到的keV与TeV同时耀发？
• RQ2 为重现多波段耀斑，电子注入（如最大能量）需发生何种变化？
• RQ3 哪个能量波段对电子加速机制的变化最敏感？
• RQ4 电子冷却与注入的动力学时变如何影响耀斑期间的谱演化？
• RQ5 在不引入非均匀结构的前提下，均匀SSC模型在多大程度上能重现观测到的变异性？

主要发现

• Mkn 421中keV与TeV同时耀发可通过最大电子能量的突然增加来解释，无需改变电子注入率或磁场强度。
• X射线波段对电子加速机制的特性最为敏感，原因在于高能电子具有最快的冷却 timescale。
• 该模型使用物理解释一致的参数（包括约15的多普勒因子）成功重现了18个十进制量级频率范围内的平静期谱。
• 快速变异性（约一天量级）与约15的多普勒因子一致，更快的变化可通过参数缩放实现。
• 在低射电频率下可观测到同步辐射自吸收效应，但诱导康普顿散射也可能影响射电波段，尤其在更高多普勒因子下。
• 均匀SSC模型为观测变异性提供了合理解释，尽管非均匀模型可能提供更优拟合，但需付出更高复杂度的代价。