[論文レビュー] A dense gas survey of the gamma-ray sources HESS J1731-347 and HESS J1729-345

Nigel Maxted, Gavin Rowell+9 more|arXiv (Cornell University)|Mar 23, 2015

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、Mopra 7 mm スペクトル線観測を用いて、銀河の3つの腕に対応するCS(1-0)線放出を通じて高密度分子ガスを追跡した。約5 × 10⁵ M⊙の高密度ガスが検出されたが、現在の推定距離5.2–6.2 kpcにおけるγ線源 HESS J1731-347 と一致する明確なCS(1-0)放出は検出されず、一方 HESS J1729-345 と重複する約10³ M⊙の高密度ガスが存在するが、明確な関連性は示されない。これは、高密度ガスクラスタが関与するハドロニックγ線生成モデルに挑戦する結果となった。

ABSTRACT

The results of Mopra molecular spectral line observations towards the supernova remnant HESSJ1731-347 (G353.6-0.7) and the unidentified gamma-ray source HESSJ1729-345 are presented. Dense molecular gas in three different velocity-bands (corresponding to three Galactic arms) are investigated using the CS(1-0) line. The CS-traced component provides information about the dense target material in a hadronic scenario for gamma-ray production (cosmic rays interacting with gas) and an understanding of the dynamics. Furthermore, the effects of cosmic ray diffusion into dense gas may alter the gamma-ray spectrum to cause a flattening of spectra towards such regions. Dense molecular gas mass at a level of ~10^5 Mo was revealed in this survey, with mass of the order of ~10^3 Mo towards HESSJ1729-345 in each coincident Galactic arm, but no significant detection of dense molecular gas towards HESSJ1731-347 at the currently-preferred distance of ~5.2-6.2 kpc was discovered.

研究の動機と目的

• TeV γ線源 HESS J1731-347 および HESS J1729-345 の周辺に高密度分子ガスが存在するかを調査し、ハドロニックγ線生成メカニズムにおけるその役割を評価すること。
• 他の源（例：RX J1713.7-3946）のモデルで提唱されているように、高密度ガスクラスタが宇宙線拡散によってγ線スペクトルの平坦化を引き起こす可能性を検証すること。
• 他の波長域で関連性が確認されていない HESS J1729-345 が高密度分子ガスと関連している可能性を検証すること。
• 銀河の腕に対応するライン・オブ・スイト・ボリュームにおけるガス質量および分布の測定を通じて、γ線放出におけるハドロニック過程とレプトニック過程の寄与を制限すること。
• 標準的なCOやHI調査では捉えきれない「ダーク」分子ガス、またはショック励起状態の種（例：SiO, CH₃OH）の存在を探索すること。

提案手法

• Mopra電波望遠鏡を用いて、高密度分子ガス（n(H₂) ≥ 10⁴ cm⁻³）を tracer とするCS(1-0)遷移を標的とした深さのある7 mmスペクトル線観測を実施した。
• 0.2 km s⁻¹の速度分解能と59″の beam FWHMを持つMopraのズームモードスペクトロメータを用い、1σノイズレベルは0.04–0.08 Kであり、ピクセルごとに保守的な4.5σ検出閾値を適用した。
• Goldsmith & Langer (1999) の手法を用いて、CS(1-0)の積分輝度をCS(J=1)の柱密度に変換した。光学的薄い状態を仮定したが、C³⁴S(1-0)が検出された場合は、CS-C³⁴Sの比を22.5として光学的厚さを推定した。
• 20 Kの固定温度とCS/H₂比10⁻⁹を用いて、CS柱密度をH₂柱密度に変換した。系統的不確実性は主にこれらの仮定に起因する。
• 光学的厚い領域については、2′のガウスビームで平滑化することで、光学的厚い・薄い領域の境界に生じるアーティファクトを低減した。
• ショック状態や星形成環境を特定するため、他の温暖ガストレーサー（例：C³⁴S, CH₃OH, SiO）の同時発光も記録した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在の推定距離5.2–6.2 kpcにおけるTeV γ線源 HESS J1731-347 と、CS(1-0)で追跡された高密度分子ガスに顕著な関連性が存在するか？
• RQ2 HESS J1729-345 の周辺に存在する高密度ガスクラスタが、宇宙線拡散モデルで提唱されているように、γ線放出のハドロニック起源を支持するか？
• RQ3 3 kpc拡張腕、ノーマ＝サイルス腕、スクツム＝クラックス腕に対応する3つの速度成分に、高密度分子ガスの総質量はどれほどか？
• RQ4 高密度ガスクラスタにショック励起状態や化学的に豊富な分子トレーサー（例：SiO, CH₃OH）が関連しているか？これは星形成やショック活動を示唆する。
• RQ5 HESS J1731-347 に向けてCS(1-0)放射が検出されないのは、CO や CS では追跡できない「ダーク」分子ガスが存在するためではないか？

主な発見

• 3つの銀河腕にわたって合計約5 × 10⁵ M⊙の高密度分子ガスが検出された。そのうち、HESS J1731-347 の北半分と重複するガスは約5 × 10⁴ M⊙、HESS J1729-345 と一致するガスは約6 × 10³ M⊙で、4σレベルの有意性を示した。
• 現在の推定距離5.2–6.2 kpcに対応するライン・オブ・スイト速度約−85 km s⁻¹における、HESS J1731-347 に向けての明確なCS(1-0)放射は検出されなかった。
• 約5 kpc（速度約−55 km s⁻¹）の高密度ガスはノーマ＝サイルス腕に対応し、約5 × 10³ M⊙が HESS J1729-345 と重複しているが、γ線源との明確な空間的・速度的関連性は認められなかった。
• 約3.2 kpc（速度約−23.5～−7.0 km s⁻¹）の高密度ガスはスクツム＝クラックス腕に対応し、C³⁴S(1-0)、CH₃OH(7-6)、HC₃N(5-4)、SiO(1-0)の検出から、温暖・高密度・ショック状態の環境であることが示唆された。これは星形成と関連する可能性がある。
• スクツム＝クラックス腕に位置するHII領域 G353.42−0.37 は、HESS J1731-347 までの距離の下限として約3.2 kpcを提供し、以前の吸収測定と整合的である。
• HESS J1729-345 のγ線放射と高密度ガスクラスタとの間に明確な関連性は確認されなかったが、4σの有意性で約10³ M⊙の高密度ガスが源と重複していた。