かなた望遠鏡を用いたブレーザー の 可視 偏光 モニターに よる変動機構の研究

1. かなた望遠鏡を用いたブレーザーの可視偏光モニターによる変動機構の研究かなた望遠鏡を用いたブレーザーの可視偏光モニターによる変動機構の研究 笹田　真人　（広島大学）

2. 目次 • ブレーザーのイントロダクション • ブレーザー44天体の種類と変動 • ブレーザーの光度と色変化 • 偏光ベクトルの回転 • フレアと偏光の変化 • まとめ

3. ブレーザーの観測的特徴 • 光度の変動 • 早く激しい光度変動を示す→変動タイムスケール：数分～年 • 広帯域放射 • 電波からガンマ線に至る放射 • 放射機構：シンクロトロン放射、逆コンプトン散乱放射 • 高い偏光と変動 • 電波から可視にかけて高い偏光とその変動 Villforth+ 2010 16 OJ 287 12 R (mJy) 8 4 0 30 PD (%) 20 10 0 Dec 2005 Dec 2006 Dec 2007 Dec 2008

4. ブレーザーの分類 • シンクロトロン放射 • 低エネルギー；電波〜可視、X線 • 逆コンプトン散乱放射 • 高エネルギー；X線〜ガンマ線 • 輝線の有無 • シンクロトロン放射によって母銀河からの輝線が埋もれる • 輝線が検出　→　FSRQ • 輝線弱い 　　→　BL Lac天体 • ピーク周波数によって分類 • HBL　→　X線 • IBL　 →　可視光 • LBL　 →　赤外 Fossati+ 1998 電波　可視光　　X線　　　ガンマ線

5. シンクロトロン放射の偏光と磁場 シンクロトロン放射 • 相対論的粒子が磁場と相互作用 • 磁場からローレンツ力を受け放射 　→　磁場に垂直な方向に直線偏光 • 偏光：光の偏り • 天体の偏光から対象の対称性などの情報を取得 ブレーザーの放射から検出される直線偏光 放射領域の磁場情報が取得

6. これまでの可視偏光観測 • 変動の研究には連続的な観測が必要 　→　モニター可能な観測施設の必要性 • 偏光観測装置は世界的に少ない 　現状の問題点 • 短期間のモニター、又は観測頻度の粗い偏光モニターしかほとんど行われていない • 多天体の系統的な偏光変動の研究はほとんど無い • 　求められる研究 • 長期で連続的なブレーザーの偏光モニターが必要 • 系統的な観測から変動の一般性を研究する必要

7. 目的 • ブレーザーの変動機構と磁場構造の関係は未解明 • ブレーザーを偏光観測することによりジェットの磁場構造の情報を直接得ることができる • 偏光観測装置の希少さにより、ブレーザーの連続的な偏光観測例は少ない ブレーザーを長期で連続的に偏光観測し、 変動機構と磁場構造の関係を明らかにする

8. 観測機器 • かなた望遠鏡 • 大学付設により占有可能 →　連続的なモニター観測　 　　が可能 • TRISPEC • 可視光、近赤外観測 • 直線偏光撮像観測モード TRISPEC かなた望遠鏡/TRISPECを用いて、過去に例のないほど多数の ブレーザーの長期で連続的な偏光モニターを計画し実施した

9. 観測天体と期間 • ブレーザー44天体のモニター観測 • 過去に例のない多天体モニターを計画、実施 • 観測期間：2008年5月～2010年12月

10. 44天体の種類と変動

11. 光度、色、偏光の変動 • 光度、色、偏光共に観測期間中において変動 • 3C 66Aにおいて1.6等光度が変化 • V-Jの色が0.4等変化 • Vバンドの偏光度が25％変化 • 偏光方位角は180度付近に集中 • 天体によって各変動の大きさにばらつきがある • 各天体でのピーク周波数と変動の振幅を調べる

12. 光度振幅とピーク周波数 • 縦軸：観測期間中の光度の振幅 ΔV • （VMAX - VMIN） • 横軸：シンクロトロン放射のピーク周波数 • ピーク周波数が低い天体ほど光度変動が激しい • 同じピーク周波数でのFSRQとBL Lacに変動振幅の違いはない • BL Lac天体 • FSRQ • 観測点の少ない天体

13. 偏光度振幅とピーク周波数 • 縦軸：観測期間中の偏光度の振幅 ΔP • （PMAX - PMIN） • 横軸：シンクロトロン放射のピーク周波数 • ピーク周波数が低い天体ほど偏光が変化 • 紫外に熱的成分がある3C273とQSO 0454-234は偏光の変化が小さい • 同じピーク周波数でのFSRQの方がBL Lacより変動振幅が大きい可能性 • BL Lac天体 • FSRQ • 観測点の少ない天体

14. ブレーザーの種類と変動 • ピーク周波数が低い天体ほど可視光での変動が大きい • ピーク周波数が違う天体を同じ可視光帯域で観測する • →　異なるエネルギーの電子からのシンクロ • 　　トロン放射を観測 高エネルギー電子からのシンクロトロン 放射が激しく変化する

15. 光度と色変化

16. S5 0716+714の光度と色 100日 光度だけでなくV-Jの色も変化する

17. bluer-when-brighter • S5 0716+714の色等級図 • 天体が明るくなると色が青くなる • →bluer-when-brighter • 増光時に高周波数側の方が上昇 • 過去数天体で報告されている V

18. redder-when-brighterと紫外放射 • PKS 1510-089の色等級図 • 暗い時期において天体が明るくなると色が赤くなる • →redder-when-brighter • 紫外領域に熱的な成分が存在 • →　シンクロトロン放射 • 　　の増光により赤くな • る V

19. bluer-when-brighterの一般性 • 数天体でredder-when-brighterを示す • 明るい時期はシンクロトロン放射優勢 • →　天体の明るい時期において相関を調べる • 観測点の多い32天体のうち28天体でbluer-when-brighterが見られる • 　　→　全体の88% bluer-when-brighterはブレーザーの 一般的性質と言える

20. 偏光ベクトルの回転

21. 偏光の変動 20日 • 光度と同様に偏光も変化 • AO 0235+164の場合 • 偏光度が0〜35％変化 • 偏光方位角は0〜180度に存在 光度 偏光度 (%) 方位角 (deg)

22. 2009年の3C 454.3 • アウトバーストが存在 • アウトバーストのピーク時に偏光度が2%とアウトバースト中でもっとも低い →　その後上昇し22%へ到達 • アウトバースト中に偏光ベクトルが約360度回転 • 活動的な時期には逆方向に回転を検出（約270度） 8 6 光度 ×10^-11 (erg/s/cm^2) 4 2 25 20 15 偏光度 (%) 10 5 -100 -300 偏光方位角 (deg) -500 -700 -900 5000 5100 5200 JD - 2450000 2009年以外にも偏光ベクトルの回転を検出

23. 複数の回転の検出；3C 454.3 2005 outburst 2007 outburst • 2005〜2009年において5回の回転を検出 • 回転達において時計、反時計回りの両方が存在 • 偏光ベクトルの回転率はそれぞれ 8.7, 22, -5, -26 , 9.2 (deg/day) (2005, 2007, 2008, 2009) Sasada+ 2010 Jorstad + 2010 Second rotation First rotation 2008 outburst

24. 偏光の回転の解釈 • 偏光ベクトルの回転から螺旋磁場が示唆される (Marscher+ 08) • 両方向の回転を説明するためにBent jet modelが提唱 (Abdo+ 10) 問題点 螺旋磁場：両方の回転方向で回転が観測 Bent jet：400度以上一定の回転率

25. フレアと偏光

26. PKS 1510-089 20日 Sasada+ 2011 • 2009年から観測を開始 • 光度が10倍増光する20日以内の大フレアを検出 • フレアに相関して偏光度が上昇 • 光度と偏光度の相関係数； 光度 偏光度 (%) 方位角 (deg)

27. フレア中の光度と偏光度 • 20日以内に変動するフレアに伴って偏光度が上昇 短期間のフレアにおいて光度と 偏光は普遍的に相関して変化する 仮説 検証 多数の天体に対しての偏光モニター観測から、 フレアの光度と偏光度の変動を系統的に調べる

28. フレアの定義 Flux PD Time Time • もしピーク範囲において検出したピークがもっとも高い場合、フレアのピークとして定義 • 検出したピークの前後10日をピーク範囲として定義 • 範囲内のデータが5点以下の場合棄却 • 光度曲線のピークの検出

29. 検出したフレア • 観測天体数44天体 • 総フレア数　166個 • フレア検出天体　29天体 • 光度が二倍以上変化した大フレア　28個 • 大フレアを検出した天体12天体 • 大フレアの光度と偏光度の相関（相関係数で判断） （正, 負, 有意な相関なし）= （13, 5, 10） 相関なしの中には誤差が大きいもの、データ点の少ないものも含む

30. フレアの振幅 Flux PD Time Time • 光度と偏光度の最大と最小の比と差を振幅とする • 長期的に変動する成分を差し引く

31. 光度と偏光度振幅の相関 偏光度振幅 (Pmax – Pmin) 正の相関が存在 r=0.62±0.05 光度比　(Fmax / Fmin) 小さなフレアではあまり相関が良くない

32. フレアの特徴 • 小さな振幅のフレアの発生頻度は高く、大きな振幅のフレアは低い • フレアの光度と偏光度の振幅には正の相関 　→　フレアによって偏光が変化 • 小フレアでの相関は弱い • 大フレアが発生した場合、偏光が大きく変化 • 小フレアの場合、頻度が高い小フレアの重なり合せにより偏光の変化が小さくなる 各フレアが固有の偏光ベクトルを持つ

33. 放射領域の磁場構造① 得られた示唆 • フレアは固有の偏光ベクトルを持つ 　→　フレアの発生領域での磁場は揃っている • 考えられる状況 • フレアによって磁場が揃う • 磁場が揃っている領域でフレアが発生

34. 放射領域の磁場構造② 発生した衝撃波によって圧縮された磁場が揃う 圧縮される前 圧縮による磁場 構造の変化 圧縮された後 Laing 1980 衝撃波により 空間が圧縮 圧縮により 磁場が揃う 放射領域の 磁場が揃う • （モデルの使用例） • 観測される偏光度から圧縮度を計算　（Hagen-Thorn+ 2008） 34

35. 放射領域の磁場構造③ 磁場の揃った局所からの放射 局所的に見ると磁場は揃っている 変動起源が 局所的に発生 局所においては 磁場は揃っている 放射領域の 磁場が揃う • （モデルの使用例） • 分スケール変動の偏光度の上昇　（Sasada+ 2008） • ビーミングにより局所のみが見えることによる偏光の変化 • (Abdo+ 2010)

36. まとめ • ブレーザー44天体の多色偏光モニター観測を実施 • 光度、色、偏光共に変動を起こす • ピーク周波数によって光度と偏光の変動振幅が異なる • Bluer-when-brighterはブレーザーの一般的な特徴 • 偏光ベクトルの回転を検出 • フレアの光度と偏光度の振幅には正の相関

38. ブレーザーの変動起源 • 内部衝撃波モデル • ジェットから噴出したブロッブが衝突し衝撃波を形成 • １次Fermi加速により高エネルギー粒子が増加し、磁場と相互作用によりシンクロトロン放射 • ビーミングの変化 • 放射領域の移動、ジェット軸の微細な変化等により視線方向とジェットのなす角が変化 • ビーミング因子が変化することにより観測される光度が変化 ジェットを形成している磁場の構造 と変動の関係はわかっていない

39. 偏光の挙動 Smith+ 1986 QU平面 Moore+ 1982 • 光度と偏光度には正の相関 • 偏光を表すQU平面上でランダムな軌道 • 近年長期的な偏光観測から、偏光には速く変動する成分とゆっくり変動する成分の二つが存在 (Villforth+ 2010) 光度 偏光度 方位角

40. 大振幅フレアの例 正の相関 負の相関 相関なし r=0.91±0.07 r=-0.85±0.10 r=-0.14±0.30 光度 偏光度 方位角 QU平面 U/I

41. 光度と偏光度の相関 • 光度と偏光度の相関は正と負の両方が存在 • QU平面上では類似した変化 • どちらも起点と終点は一定場所 長期的な変動成分の寄与による原点の違いによって正負に異なった相関 正 負 U U Q Q 0 0