[論文レビュー] An Ultrahigh-energy $γ$-ray Bubble Powered by a Super PeVatron

The LHAASO Collaboration, Cao, Z.+279 more|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2023

Astrophysics and Cosmic PhenomenaPhysics and Astronomy被引用数 3

ひとこと要約

LHAASOは、10 PeV以上の陽子を加速するスーパーペブトラトンによって駆動される、100 deg²を超える領域をカバーする超高エネルギー（UHE）ガンマ線バブルをシルガスXで検出。バブルの形状、エネルギースペクトル（対数放物線型で、Γ(E) = 2.71 ± 0.02 + 0.11 ± 0.02 × log₁₀(E/10 TeV)）、およびシルガスOB2とシルガスX-3付近のペブトロンガンマ線の集中は、周囲の星間ガスへの連続的な陽子注入によって最もよく説明され、10年間でIceCubeが検出可能なニュートリノフラックスが予測される。

ABSTRACT

We report the detection of a $γ$-ray bubble spanning at least 100$ m deg^2$ in ultra high energy (UHE) up to a few PeV in the direction of the star-forming region Cygnus X, implying the presence Super PeVatron(s) accelerating protons to at least 10 PeV. A log-parabola form with the photon index $Γ(E) = (2.71 \pm 0.02) + (0.11 \pm 0.02) imes \log_{10} (E/10 \ { m TeV})$ is found fitting the gamma-ray energy spectrum of the bubble well. UHE sources, `hot spots' correlated with very massive molecular clouds, and a quasi-spherical amorphous $γ$-ray emitter with a sharp central brightening are observed in the bubble. In the core of $\sim 0.5^{\circ}$, spatially associating with a region containing massive OB association (Cygnus OB2) and a microquasar (Cygnus X-3), as well as previously reported multi-TeV sources, an enhanced concentration of UHE $γ$-rays are observed with 2 photons at energies above 1 PeV. The general feature of the bubble, the morphology and the energy spectrum, are reasonably reproduced by the assumption of a particle accelerator in the core, continuously injecting protons into the ambient medium.

研究の動機と目的

• シルガスXの星形成領域からの超高エネルギーガンマ線放射を特定・特徴付けること。
• 広がったUHEガンマ線放射の起源を特定し、大質量星の構造と関連づけること。
• シルガスX領域の中心に位置するスーパーペブトラトンが、少なくとも10 PeVまで陽子を加速しているという仮説を検証すること。
• バブル内のハドロン的相互作用からのガンマ線およびニュートリノ放射をモデル化し、検出可能なニュートリノ信号を予測すること。

提案手法

• LHAASOのKM2AおよびWCDAアレイが、100 TeVを超える3,200件の光子に類似たイベントを収集し、過去のデータに比べ5倍の統計的精度を得た。
• エネルギースペクトルは対数放物線関数でフィット：Γ(E) = (2.71 ± 0.02) + (0.11 ± 0.02) × log₁₀(E/10 TeV)。
• 3次元粒子輸送モデルを用いて、中心の加速器から周囲のHIガスへの陽子注入をシミュレートし、拡散係数はD(E) ∝ E¹ᐟ³とした。
• モデルは、破綻したパワーローインジェクションスペクトルを仮定：N(Eₚ) = N₀Eₚ⁻².²⁵(1 + Eₚ/30 TeV)⁻⁰·⁵exp(−Eₚ/10 PeV)。
• ニュートリノフラックスは、ケルナーらの半アナリティカル手法を用いて推定し、振動後のフレーバー比が1:1:1であると仮定した。
• IceCubeの感度は、有効面積の統合により算出し、10年間での検出可能なミュオンニュートリノイベント数を予測した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 シルガスX領域における超高エネルギーガンマ線放射の空間的・スペクトル的形状は何か？
• RQ2 観測されたUHEガンマ線バブルは、中心の粒子加速器からのハドロン的相互作用によって説明可能か？
• RQ3 陽子を加速しているとされる仮説上のスーパーペブトラトンの位置はどこか？
• RQ4 同様のハドロン的相互作用から予想されるニュートリノフラックスは何か？また、IceCubeで検出可能か？

主な発見

• 100 deg²を超えるガンマ線バブルが検出され、対数放物線型エネルギースペクトルでデータにフィットした。10 TeVにおける光子指数は2.71 ± 0.02、カーブチャージャーは0.11 ± 0.02であった。
• シルガスOB2を中心とする0.5°半径内に、1 PeVを超える2つの光子が検出され、バックグラウンド汚染はたった0.07イベントにとどまった。
• バブルの中心部（シルガスOB2およびシルガスX-3と一致）では、1°半径内に90%の強度ピークが観測され、中心加速器と整合的であった。
• モデルは、加速器がKM2A中心から約1°以内に位置すると制限し、星形成領域内の核心部に位置すると支持された。
• 10年間のIceCube運用において、バブル全体から1 TeVを超えるミュオンニュートリノイベントが29件予測され、うち39%が内側3°領域から来るとされた。
• バブルからの(反)ミュオンニュートリノフラックスは、10 TeVで宇宙線由来のバックグラウンドフラックスを約2倍上回った。