Periodic Gamma-ray Modulation of the blazar PG 1553+113 Confirmed by Fermi-LAT and Multi-wavelength Observations

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Periodic Gamma-ray Modulation of the blazar PG 1553+113 Confirmed by Fermi-LAT and Multi-wavelength Observations

Authors

S. Abdollahi IRAP, Université de Toulouse, CNRS, UPS, CNES, F-31028 Toulouse, France, L. Baldini Università di Pisa and Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa I-56127 Pisa, Italy, G. Barbiellini Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Trieste, I-34127 Trieste, Italy Dipartimento di Fisica, Università di Trieste, I-34127 Trieste, Italy, R. Bellazzini Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa, I-56127 Pisa, Italy, B. Berenji California State University Los Angeles, Department of Physics and Astronomy, Los Angeles, CA 90032, USA, E. Bissaldi Dipartimento di Fisica ''M. Merlin'' dell'Università e del Politecnico di Bari, via Amendola 173, I-70126 Bari, Italy Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Bari, I-70126 Bari, Italy, R. D. Blandford W. W. Hansen Experimental Physics Laboratory, Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology, Department of Physics and SLAC National Accelerator Laboratory, Stanford University, Stanford, CA 94305, USA, R. Bonino Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Torino, I-10125 Torino, Italy Dipartimento di Fisica, Università degli Studi di Torino, I-10125 Torino, Italy, P. Bruel Laboratoire Leprince-Ringuet, CNRS/IN2P3, École polytechnique, Institut Polytechnique de Paris, 91120 Palaiseau, France, S. Buson Institut für Theoretische Physik and Astrophysik, Universität Würzburg, D-97074 Würzburg, Germany, R. A. Cameron W. W. Hansen Experimental Physics Laboratory, Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology, Department of Physics and SLAC National Accelerator Laboratory, Stanford University, Stanford, CA 94305, USA, P. A. Caraveo INAF-Istituto di Astrofisica Spaziale e Fisica Cosmica Milano, via E. Bassini 15, I-20133 Milano, Italy, F. Casaburo Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma ''Tor Vergata'', I-00133 Roma, Italy Space Science Data Center - Agenzia Spaziale Italiana, Via del Politecnico, snc, I-00133, Roma, Italy, E. Cavazzuti Italian Space Agency, Via del Politecnico snc, 00133 Roma, Italy, C. C. Cheung Space Science Division, Naval Research Laboratory, Washington, DC 20375-5352, USA, G. Chiaro INAF-Istituto di Astrofisica Spaziale e Fisica Cosmica Milano, via E. Bassini 15, I-20133 Milano, Italy, S. Ciprini Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma ''Tor Vergata'', I-00133 Roma, Italy Space Science Data Center - Agenzia Spaziale Italiana, Via del Politecnico, snc, I-00133, Roma, Italy, G. Cozzolongo Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg, Erlangen Centre for Astroparticle Physics, Erwin-Rommel-Str. 1, 91058 Erlangen, Germany Friedrich-Alexander-Universität, Erlangen-Nürnberg, Schlossplatz 4, 91054 Erlangen, Germany, P. Cristarella Orestano Dipartimento di Fisica, Università degli Studi di Perugia, I-06123 Perugia, Italy Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Perugia, I-06123 Perugia, Italy, S. Cutini Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Perugia, I-06123 Perugia, Italy, F. D'Ammando INAF Istituto di Radioastronomia, I-40129 Bologna, Italy, N. Di Lalla W. W. Hansen Experimental Physics Laboratory, Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology, Department of Physics and SLAC National Accelerator Laboratory, Stanford University, Stanford, CA 94305, USA, F. Dirirsa Astronomy and Astrophysics Research Development Department, Entoto Observatory and Research Center, Space Science and Geospatial Institute, Addis Ababa, Ethiopia, L. Di Venere Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Bari, I-70126 Bari, Italy, A. Domínguez Grupo de Altas Energías, Universidad Complutense de Madrid, E-28040 Madrid, Spain, S. J. Fegan Laboratoire Leprince-Ringuet, CNRS/IN2P3, École polytechnique, Institut Polytechnique de Paris, 91120 Palaiseau, France, E. C. Ferrara Department of Astronomy, University of Maryland, College Park, MD 20742, USA Center for Research and Exploration in Space Science and Technology Astrophysics Science Division, NASA Goddard Space Flight Center, Greenbelt, MD 20771, USA, A. Fiori Università di Pisa and Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa I-56127 Pisa, Italy, Y. Fukazawa Department of Physical Sciences, Hiroshima University, Higashi-Hiroshima, Hiroshima 739-8526, Japan, S. Funk Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg, Erlangen Centre for Astroparticle Physics, Erwin-Rommel-Str. 1, 91058 Erlangen, Germany, P. Fusco Dipartimento di Fisica ''M. Merlin'' dell'Università e del Politecnico di Bari, via Amendola 173, I-70126 Bari, Italy Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Bari, I-70126 Bari, Italy, F. Gargano Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Bari, I-70126 Bari, Italy, S. Garrappa Department of Particle Physics and Astrophysics, Weizmann Institute of Science, 76100 Rehovot, Israel, D. Gasparrini Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma ''Tor Vergata'', I-00133 Roma, Italy Space Science Data Center - Agenzia Spaziale Italiana, Via del Politecnico, snc, I-00133, Roma, Italy, S. Germani Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Perugia, I-06123 Perugia, Italy Dipartimento di Fisica e Geologia, Università degli Studi di Perugia, via Pascoli snc, I-06123 Perugia, Italy, N. Giglietto Dipartimento di Fisica ''M. Merlin'' dell'Università e del Politecnico di Bari, via Amendola 173, I-70126 Bari, Italy Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Bari, I-70126 Bari, Italy, F. Giordano Dipartimento di Fisica ''M. Merlin'' dell'Università e del Politecnico di Bari, via Amendola 173, I-70126 Bari, Italy Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Bari, I-70126 Bari, Italy, M. Giroletti INAF Istituto di Radioastronomia, I-40129 Bologna, Italy, D. Green Max-Planck-Institut für Physik, D-80805 München, Germany, I. A. Grenier Université Paris Cité, Université Paris-Saclay, CEA, CNRS, AIM, F-91191 Gif-sur-Yvette, France, S. Guiriec Astrophysics Science Division, NASA Goddard Space Flight Center, Greenbelt, MD 20771, USA The George Washington University, Department of Physics, 725 21st St., NW, Washington, DC 20052, USA, E. Hays Astrophysics Science Division, NASA Goddard Space Flight Center, Greenbelt, MD 20771, USA, D. Horan Laboratoire Leprince-Ringuet, CNRS/IN2P3, École polytechnique, Institut Polytechnique de Paris, 91120 Palaiseau, France, M. Kuss Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa, I-56127 Pisa, Italy, S. Larsson Department of Physics, KTH Royal Institute of Technology, AlbaNova, SE-106 91 Stockholm, Sweden The Oskar Klein Centre for Cosmoparticle Physics, AlbaNova, SE-106 91 Stockholm, Sweden, M. Laurenti Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma ''Tor Vergata'', I-00133 Roma, Italy Space Science Data Center - Agenzia Spaziale Italiana, Via del Politecnico, snc, I-00133, Roma, Italy, J. Li CAS Key Laboratory for Research in Galaxies and Cosmology, Department of Astronomy, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, People's Republic of China School of Astronomy and Space Science, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, People's Republic of China, I. Liodakis NASA Marshall Space Flight Center, Huntsville, AL 35812, USA, F. Longo Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Trieste, I-34127 Trieste, Italy Dipartimento di Fisica, Università di Trieste, I-34127 Trieste, Italy, F. Loparco Dipartimento di Fisica ''M. Merlin'' dell'Università e del Politecnico di Bari, via Amendola 173, I-70126 Bari, Italy Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Bari, I-70126 Bari, Italy, B. Lott Université Bordeaux, CNRS, LP2I Bordeaux, UMR 5797, F-33170 Gradignan, France, M. N. Lovellette The Aerospace Corporation, 14745 Lee Rd., Chantilly, VA 20151, USA, P. Lubrano Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Perugia, I-06123 Perugia, Italy, S. Maldera Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Torino, I-10125 Torino, Italy, D. Malyshev Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg, Erlangen Centre for Astroparticle Physics, Erwin-Rommel-Str. 1, 91058 Erlangen, Germany, A. Manfreda Università di Pisa and Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa I-56127 Pisa, Italy, L. Marcotulli Department of Astronomy, Department of Physics and Yale Center for Astronomy and Astrophysics, Yale University, New Haven, CT 06520-8120, USA Department of Physics and Astronomy, Clemson University, Kinard Lab of Physics, Clemson, SC 29634-0978, USA, G. Martí-Devesa Dipartimento di Fisica, Università di Trieste, I-34127 Trieste, Italy, M. N. Mazziotta Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Bari, I-70126 Bari, Italy, I. Mereu Dipartimento di Fisica, Università degli Studi di Perugia, I-06123 Perugia, Italy Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Perugia, I-06123 Perugia, Italy, P. F. Michelson W. W. Hansen Experimental Physics Laboratory, Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology, Department of Physics and SLAC National Accelerator Laboratory, Stanford University, Stanford, CA 94305, USA, W. Mitthumsiri Department of Physics, Faculty of Science, Mahidol University, Bangkok 10400, Thailand, T. Mizuno Hiroshima Astrophysical Science Center, Hiroshima University, Higashi-Hiroshima, Hiroshima 739-8526, Japan, M. E. Monzani W. W. Hansen Experimental Physics Laboratory, Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology, Department of Physics and SLAC National Accelerator Laboratory, Stanford University, Stanford, CA 94305, USA Vatican Observatory, Castel Gandolfo, V-00120, Vatican City State, Italy, A. Morselli Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma ''Tor Vergata'', I-00133 Roma, Italy, I. V. Moskalenko W. W. Hansen Experimental Physics Laboratory, Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology, Department of Physics and SLAC National Accelerator Laboratory, Stanford University, Stanford, CA 94305, USA, M. Negro Department of physics and Astronomy, Louisiana State University, Baton Rouge, LA 70803, USA, N. Omodei W. W. Hansen Experimental Physics Laboratory, Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology, Department of Physics and SLAC National Accelerator Laboratory, Stanford University, Stanford, CA 94305, USA, M. Orienti INAF Istituto di Radioastronomia, I-40129 Bologna, Italy, E. Orlando W. W. Hansen Experimental Physics Laboratory, Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology, Department of Physics and SLAC National Accelerator Laboratory, Stanford University, Stanford, CA 94305, USA Istituto Nazionale di Fisica Nucleare Sezione di Trieste and Università di Trieste, I-34127 Trieste, Italy, J. F. Ormes Department of Physics and Astronomy, University of Denver, Denver, CO 80208, USA, D. Paneque Max-Planck-Institut für Physik, D-80805 München, Germany, M. Perri Space Science Data Center - Agenzia Spaziale Italiana, Via del Politecnico, snc, I-00133, Roma, Italy INAF Astronomical Observatory of Rome, via Frascati 33, I-00078, Monte Porzio Catone, Roma, Italy, M. Persic Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Trieste, I-34127 Trieste, Italy INAF Astronomical Observatory of Padova, Vicolo dell'Osservatorio 5, I-35122 Padova, Italy, M. Pesce-Rollins Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa, I-56127 Pisa, Italy, T. A. Porter W. W. Hansen Experimental Physics Laboratory, Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology, Department of Physics and SLAC National Accelerator Laboratory, Stanford University, Stanford, CA 94305, USA, G. Principe Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Trieste, I-34127 Trieste, Italy Dipartimento di Fisica, Università di Trieste, I-34127 Trieste, Italy INAF Istituto di Radioastronomia, I-40129 Bologna, Italy, S. Rainò Dipartimento di Fisica ''M. Merlin'' dell'Università e del Politecnico di Bari, via Amendola 173, I-70126 Bari, Italy Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Bari, I-70126 Bari, Italy, R. Rando Dipartimento di Fisica e Astronomia ''G. Galilei'' Università di Padova, Via F. Marzolo, 8, I-35131 Padova, Italy Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Padova, I-35131 Padova, Italy Center for Space Studies and Activities ''G. Colombo'' University of Padova, Via Venezia 15, I-35131 Padova, Italy, B. Rani Astrophysics Science Division, NASA Goddard Space Flight Center, Greenbelt, MD 20771, USA Center for Space Science and Technology, University of Maryland Baltimore County, 1000 Hilltop Cir., Baltimore, MD 21250, USA, M. Razzano Università di Pisa and Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa I-56127 Pisa, Italy, A. Reimer Institut für Astro- und Teilchenphysik, Leopold-Franzens-Universitä Innsbruck, A-6020 Innsbruck, Austria, O. Reimer Institut für Astro- und Teilchenphysik, Leopold-Franzens-Universitä Innsbruck, A-6020 Innsbruck, Austria, P. M. Saz Parkinson Santa Cruz Institute for Particle Physics, Department of Physics and Department of Astronomy and Astrophysics, University of California at Santa Cruz, Santa Cruz, CA 95064, USA, L. Scotton Center for Space Plasma and Aeronomic Research, D. Serini Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Bari, I-70126 Bari, Italy, A. Sesana INFN Sezione di Milano-Bicocca, Piazza della Scienza 3, 20126 Milano, Italy Dipartimento di Fisica, Università degli Studi di Milano-Bicocca, I-20126 Milano, Italy, C. Sgrò Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa, I-56127 Pisa, Italy, E. J. Siskind NYCB Real-Time Computing Inc., Lattingtown, NY 11560-1025, USA, G. Spandre Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa, I-56127 Pisa, Italy, P. Spinelli Dipartimento di Fisica ''M. Merlin'' dell'Università e del Politecnico di Bari, via Amendola 173, I-70126 Bari, Italy Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Bari, I-70126 Bari, Italy, D. J. Suson Purdue University Northwest, Hammond, IN 46323, USA, H. Tajima Nagoya University, Institute for Space-Earth Environmental Research, Furo-cho, Chikusa-ku, Nagoya 464-8601, Japan Kobayashi-Maskawa Institute for the Origin of Particles and the Universe, Nagoya University, Furo-cho, Chikusa-ku, Nagoya, Japan, M. N. Takahashi Max-Planck-Institut für Physik, D-80805 München, Germany Institute for Cosmic-Ray Research, University of Tokyo, 5-1-5 Kashiwanoha, Kashiwa, Chiba, 277-8582, Japan, D. Tak SNU Astronomy Research Center, Seoul National University, Gwanak-rho, Gwanak-gu, Seoul, Republic of Korea, J. B. Thayer W. W. Hansen Experimental Physics Laboratory, Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology, Department of Physics and SLAC National Accelerator Laboratory, Stanford University, Stanford, CA 94305, USA, D. J. Thompson Astrophysics Science Division, NASA Goddard Space Flight Center, Greenbelt, MD 20771, USA, D. F. Torres Institute of Space Sciences Institució Catalana de Recerca i Estudis Avançats, J. Valverde Astrophysics Science Division, NASA Goddard Space Flight Center, Greenbelt, MD 20771, USA Center for Space Science and Technology, University of Maryland Baltimore County, 1000 Hilltop Cir., Baltimore, MD 21250, USA, F. Verrecchia Space Science Data Center - Agenzia Spaziale Italiana, Via del Politecnico, snc, I-00133, Roma, Italy INAF Astronomical Observatory of Rome, via Frascati 33, I-00078, Monte Porzio Catone, Roma, Italy, G. Zaharijas Center for Astrophysics and Cosmology, University of Nova Gorica, Nova Gorica, Slovenia

Abstract

A 2.1-year periodic oscillation of the gamma-ray flux from the blazar PG 1553+113 has previously been tentatively identified in almost 7 year of data from the Fermi Large Area Telescope. After 15 years of Fermi sky-survey observations, doubling the total time range, we report >7 cycle gamma-ray modulation with an estimated significance of 4 sigma against stochastic red noise. Independent determinations of oscillation period and phase in the earlier and the new data are in close agreement (chance probability <0.01). Pulse timing over the full light curve is also consistent with a coherent periodicity. Multiwavelength new data from Swift X-Ray Telescope, Burst Alert Telescope, and UVOT, and from KAIT, Catalina Sky Survey, All-Sky Automated Survey for Supernovae, and Owens Valley Radio Observatory ground-based observatories as well as archival Rossi X-Ray Timing Explorer satellite-All Sky Monitor data, published optical data of Tuorla, and optical historical Harvard plates data are included in our work. Optical and radio light curves show clear correlations with the gamma-ray modulation, possibly with a nonconstant time lag for the radio flux. We interpret the gamma-ray periodicity as possibly arising from a pulsational accretion flow in a sub-parsec binary supermassive black hole system of elevated mass ratio, with orbital modulation of the supplied material and energy in the jet. Other astrophysical scenarios introduced include instabilities, disk and jet precession, rotation or nutation, and perturbations by massive stars or intermediate-mass black holes in polar orbit.

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