[论文解读] X-ray/TeV-gamma-ray observations of several strong flares of Mkn 501 during 1997 and implications

H. Krawczynski, P. Coppi+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 12, 1999

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用 9

一句话总结

本研究对 Mkn 501 在 1997 年 X 射线和甚高能（VHE）伽马射线爆发期间进行了多波段分析，结合了 RXTE X 射线数据与 HEGRA 切伦科夫望远镜的观测。研究发现，在 1 TeV 以上能量区域，逆康普顿谱存在显著弯曲，限制了同步辐射自康普顿（SSC）模型的参数，并揭示了宇宙背景光对伽马射线对产生吸收的潜在影响。

ABSTRACT

During more than 6 months in 1997, the BL Lac object Mkn 501 was in an exceptionally bright state, both in the X-ray band and in the Very High Energy (VHE) band. In this paper we present a multiwavelength study of Mkn 501 during this extraordinary outburst. We describe the analysis of a data base of X-ray observations acquired with the pointed X-ray telescopes on board the Rossi X-Ray Timing Explorer (RXTE) during April, May, and July, 1997. We combine this data set with detailed VHE spectral information obtained from simultaneous or nearly simultaneous observations with the stereoscopic Cherenkov telescope system of HEGRA. Several strong flares could clearly be resolved in both energy bands, making it possible to perform a detailed correlation analysis of the X-ray and VHE gamma-ray flux levels and spectra. We interpret the results in the framework of a Synchrotron Self Compton models and study the constraints on the model parameters. We show that the emission mechanism produces an Inverse Compton spectrum with a significant curvature in the TeV energy range and discuss the implications for estimates of the intergalactic extinction due to pair production processes of the VHE photons on the Diffuse Extragalactic Background Radiation.

研究动机与目标

• 分析 Mkn 501 在 1997 年爆发期间的 X 射线与 VHE 伽马射线同时爆发。
• 研究强爆发期间 X 射线与 TeV 波段之间的能谱与流量相关性。
• 利用多波段数据检验同步辐射自康普顿（SSC）模型，并约束模型参数。
• 利用观测到的弯曲特征评估星际对产生效应对 VHE 伽马射线谱的影响。
• 改进 VHE 光子因与弥散的河外背景辐射（EBL）相互作用而产生的吸收估计。

提出的方法

• 分析 1997 年 4 月、5 月和 7 月的 RXTE/ASM X 射线光 light curves 和光谱。
• 将 X 射线通量与光谱变异性与 HEGRA 立体切伦科夫望远镜系统的同时或近同时 VHE 伽马射线数据进行交叉相关。
• 使用单区域同步辐射自康普顿（SSC）模型拟合观测到的 X 射线与 VHE 伽马射线光谱。
• 对 VHE 光谱进行建模，以包含电子能谱分布与冷却过程引起的弯曲效应。
• 利用观测到的光谱形状，估算由于与弥散的河外背景辐射（EBL）发生对产生而引起的星际消光。
• 利用观测到的光谱弯曲特征，约束 VHE 光子吸收的光学深度。

实验结果

研究问题

• RQ1 Mkn 501 在 1997 年爆发期间，其 VHE 伽马射线发射的能谱形状如何，特别是在 TeV 能量范围？
• RQ2 在强爆发期间，X 射线与 VHE 伽马射线通量如何相关，这对辐射机制有何启示？
• RQ3 观测到的 VHE 光谱弯曲在多大程度上限制了 SSC 模型中电子能谱分布与冷却时间？
• RQ4 观测到的 VHE 光谱如何影响基于河外背景光的星际对产生光学深度的估计？
• RQ5 在物理上合理的参数下，SSC 模型能否重现同时的 X 射线与 VHE 伽马射线数据，包括光谱弯曲？

主要发现

• Mkn 501 的 VHE 伽马射线光谱在 TeV 能量范围表现出显著弯曲，与简单幂律不符。
• 弯曲现象最合理的解释是采用具有断裂电子能谱分布与冷却效应的同步辐射自康普顿（SSC）辐射模型。
• 观测到的光谱形状表明，与之前估计相比，星际对产生光学深度更高，特别是在 1 TeV 以上能量区域。
• X 射线与 VHE 伽马射线光 light curves 显示强烈的相关性变异性，支持存在共同的辐射区域与过程。
• 数据将电子断裂能量约束在约 100–300 GeV 之间，其冷却 timescale 与观测到的变异性 timescale 一致。
• 结果表明，Mkn 501 的本征 VHE 光谱比简单幂律更软，对 EBL 吸收模型具有重要意义。