[論文レビュー] A Tale of Two Pulsars and the Origin of TeV Gamma Rays from the Galactic Center

Matthew D. Kistler|arXiv (Cornell University)|Nov 3, 2015

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 13被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、銀河中心付近のX線パルサー風ネビュラG359.95–0.04が観測されたTeVガンマ線放射を生成できるかどうかを調査している。磁気圧力が1 mGに近い場合—SGR J1745-29に由来する—は、自己吸収損失によるTeV放射の抑制を引き起こすが、Sgr A*から約1 pc離れた場所で0.08 mG程度の弱い磁場があれば、観測データを説明可能であり、PWNが遠く離れている場合や磁場強度が低い場合にはSgr A*がより可能性の高い源であると示唆される。

ABSTRACT

The Galactic Center (GC) has been long known to host gamma-ray emission detected to >10 TeV. HESS data now points to two plausible origins: the supermassive black hole (perhaps with >PeV cosmic rays and neutrinos) or high-energy electrons from the putative X-ray pulsar wind nebula G359.95-0.04 observed by Chandra and NuSTAR. We show that if the magnetic field experienced by PWN electrons is near the several mG ambient field strength suggested by radio observations of the nearby GC magnetar SGR J1745-29, synchrotron losses constrain the TeV gamma-ray output to be far below the data. Accounting for the peculiar geometry of GC infrared emission, we also find that the requisite TeV flux could be reached if the PWN is ~1 pc from Sgr A* and the magnetic field is two orders of magnitude weaker, a scenario that we discuss in relation to recent data and theoretical developments. Otherwise, Sgr A* is left, which would then be a PeV link to other AGN.

研究の動機と目的

• 銀河中心から観測されたTeVガンマ線放射をG359.95–0.04が説明可能かどうかを特定すること。
• 近接する磁気星SGR J1745-29に由来する銀河中心の磁場が、シンクロtron損失およびTeVガンマ線生成に与える影響を評価すること。
• PWNがSgr A*からどれほど離れているか、および磁場強度が観測されたX線およびTeVガンマ線の放射率を整合させるために必要な条件を評価すること。
• IceCubeの観測データを踏まえて、Sgr A*がペブ宇宙線および高エネルギーニュートリノの源である可能性を検討すること。
• PWNの性質が、粒子加速モデルおよび最近の高エネルギー観測と整合するかを検討すること。

提案手法

• 銀河中心の光子場における相対論的電子・陽電子の逆ストラーリング散乱によるTeVガンマ線生成をモデル化する。
• PWNにおける空間的に変化する磁場モデルを適用し、中心部の磁場強度（約1 mG）からSgr A*から約1 pc離れた場所では約0.08 mGに減少するように設定する。
• ChandraおよびNuSTARによる観測されたX線放射度とスペクトル形状を用いて、電子・陽電子の注入スペクトルおよび放射度を制約する。
• 高解像度の銀河中心観測による赤外光子場の非等方的性質を組み込み、エネルギー依存の逆ストラーリング断面積を計算する。
• 磁場強度および距離の仮定を変化させながら、シンクロtron損失と逆ストラーリング放射のバランスを評価し、TeV放射度を推定する。
• Fermi-LATのGeVデータおよびIceCubeニュートリノ観測と一致するかを検討し、代替モデルを制約する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 磁気星SGR J1745-29に由来する1 mG程度の磁場がある場合、PWN G359.95–0.04は観測されたTeVガンマ線放射を生成可能か？
• RQ2 X線およびシンクロtron損失の制約を満たしつつ、観測されたTeV放射度を再現するには、PWNの距離と磁場強度はどの程度必要か？
• RQ3 銀河中心の赤外光子場の非等方的性質は、逆ストラーリング散乱によるTeVガンマ線生成効率にどのように影響するか？
• RQ4 磁場が周囲の1 mGよりも著しく弱い場合、PWNのモデルは成立するか？その場合、PWNの起源および位置にどのような含意が生じるか？
• RQ5 IceCubeのペブニュートリノイベントを踏まえると、銀河中心からのTeVガンマ線放射はSgr A*が源である可能性を示唆するか？

主な発見

• 磁気星SGR J1745-29に由来する約1 mGの磁場では、シンクロtron冷却時間が短くなり、TeVガンマ線生成が抑制されるため、この条件下ではG359.95–0.04は実質的に不適切な源である。
• Sgr A*から約1 pc離れた場所に位置するPWNで、磁場が約0.08 mGであれば、電子・陽電子スペクトルおよび注入放射度を適切に調整することで、観測されたTeVガンマ線放射度を再現可能である。
• 必要なTeV放射度対X線放射度比（L_TeV / L_keV ~ 10）は、周囲の光子場が十分に密度が高いが、磁場強度が約0.05 mG未満に低下しない距離にPWNが存在する場合にのみ達成可能である。
• PWNがSgr A*から約1 pc離れており、磁場が磁気星由来の周囲磁場と比べて100分の1程度に弱い場合に限り、HESS観測と一致するTeV放射度を予測する。
• パulsationの欠如およびG359.95–0.04がSgr A*からずれているという事実から、PWNは物理的に関連していない可能性が高く、TeV放射源としての可能性は弱まる。
• Sgr A*が源である場合、ペブ宇宙線加速器としての役割を果たす可能性があり、銀河中心と高エネルギーニュートリノ生成の間の重要な接続を提供する。