[論文レビュー] A Deep Observation of Gamma-ray Emission from Cassiopeia A using VERITAS

Augusto Ghiotto|arXiv (Cornell University)|Nov 1, 2015

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、カシオペア座Aの深さ60時間以上のVERITAS観測を実施し、7 TeVまで達する非常に高エネルギー（VHE）ガンマ線スペクトルの高精度化と、源の中心位置の局所化を向上させた。データは2 GeVを超える領域で破綻したパワーロー スペクトルを支持しており、数百GeVでスペクトルが緩やかになる傾向を示しており、放射のハドロン的起源を裏付けており、若年性超新星残骸における粒子加速モデルを制限する。

ABSTRACT

Supernova remnants (SNRs) have long been considered the leading candidates for the accelerators of cosmic rays within the Galaxy through the process of diffusive shock acceleration. The connection between SNRs and cosmic rays is supported by the detection of high energy (HE; 100 MeV to 100 GeV) and very high energy (VHE; 100 GeV to 100 TeV) gamma rays from young and middle-aged SNRs. However, the interpretation of the gamma-ray observations is not unique. This is because gamma rays can be produced both by electrons through non-thermal Bremsstrahlung and inverse Compton scattering, and by protons through proton-proton collisions and subsequent neutral-pion decay. To disentangle and quantify the contributions of electrons and protons to the gamma-ray flux, it is necessary to measure precisely the spectra and morphology of SNRs over a broad range of gamma-ray energies. Cassiopeia A (Cas A) is one such young SNR (~ 350 years) which is bright in radio and X-rays. It has been detected as a bright point source in HE gamma rays by Fermi-LAT and in VHE gamma rays by HEGRA, MAGIC and VERITAS. Cas A has been observed with VERITAS for more than 60 hours, tripling the published exposure. The observations span 2007-2013, and half of the data were taken at large zenith angles to boost the effective area above few TeV. We will present the detailed spectral and morphological results from the complete dataset.

研究の動機と目的

• 深さのあるVERITAS観測を用いて、カシオペア座Aの非常に高エネルギー（VHE）ガンマ線スペクトルを正確に測定すること。
• X線および赤外線特徴との形態的関連性を検証するため、ガンマ線放射の中心位置を向上させること。
• フェルミ-LATからVERITASエネルギーに至るまでの全バンドスペクトル形状を分析することで、レプトン的およびハドロン的放射メカニズムを区別すること。
• 統計的誤差を現在の系統的誤差以下に低下させ、モデルの区別を向上させること。

提案手法

• VERITASは2007年から2013年までにわたり、1 TeV以上の感度を向上させるために、小および大の仰角（SZAおよびLZA）観測を含む60時間以上のデータを収集した。
• 画像クリーニング、Hillasパラメータ抽出、シャワー再構築を用いて、ガンマ線と宇宙線背景を区別した。
• 反射領域背景モデルを適用し、天の川マップを作成し、源の有意性および中心位置を評価した。
• 300 GeVから7 TeVの範囲でパワーロー スペクトルモデルを用いてスペクトルフィッティングを実施し、フェルミ-LATとVERITASのデータを統合して破綻したパワーロー スペクトルを検証した。
• 中心位置はアップグレード後のSZAデータのみを用いて測定され、0.006°（統計）± 0.014°（系統的）のサブアーカセコンドの精度を達成した。
• 系統的誤差を評価し、統計誤差と比較することで、スペクトルおよび形態的結果の妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フェルミ-LATのデータが示唆するように、カシオペア座AのVHEガンマ線スペクトルは、数100 GeVを超える領域で破綻するスペクトルを示すか？
• RQ2 観測されたガンマ線放射は、ハドロン的（陽子-陽子）またはレプトン的（逆コンプトン）放射メカニズムと整合するか？
• RQ3 VHE放射の空間的中心位置は、赤外線で明るい北中央領域と一致するか、それとも残骸の西側にあるX線シンクロtronノードと一致するか？
• RQ4 スペクトル指数および中心位置の統計的誤差を、現在の系統的誤差以下に低下させることができるか？ これにより、モデルの区別が向上するか？
• RQ5 10 TeVにおける放射率の上限は何か？ また、ハドロン的モデルにおけるカットオフエネルギーを制限するか？

主な発見

• VERITASのVHEスペクトルは、300 GeVから7 TeVの範囲で、スペクトル指数 $-2.75 \pm 0.10_{\text{stat}} \pm 0.20_{\text{sys}}$ のパワーロー スペクトルでよくフィットしており、自由度5のカイ二乗値が2.22で、有意確率81%である。
• フェルミ-LATとVERITASの統合スペクトルは、単一のパワーロー スペクトルよりも破綻したパワーロー スペクトルモデルを統計的に4.9シグマ（統計的）および系統的誤差を含めると3.5シグマ以上優位として支持しており、~2 GeV以上でスペクトルが緩やかになる傾向があることを示している。
• 中心位置は、赤経RA = 23h 23m 20.4s ± 0.006°（統計）± 0.014°（系統的）、赤緯Dec = 58.817° ± 0.006°（統計）± 0.014°（系統的）と測定され、フェルミ-LATおよび以前のVERITAS結果と整合的である。
• VERITASのポイント spread function（PSF）内では点源と一致しており、SZAデータサブセットでは11σの有意性を示している。
• 10 TeVにおける上限は、カットオフエネルギーが10 TeVを超える場合にのみハドロン的モデルと整合的であり、データは低カットオフエネルギーのハドロン的モデルを否定している。
• スペクトル指数および中心位置の統計的誤差は、現在の系統的誤差以下に低下しており、今後の系統的誤差の制御向上により、モデルの区別をさらに高められる。