[論文レビュー] Automated analysis of Fermi-LAT data to trigger ground-based gamma-ray observations

M. Errando, M. Orr+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 5, 2011

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、Fermi-LATデータを自動で分析する3つのパイプラインを提示しており、GeV帯のガンマ線フレアを迅速に検出することで、VERITASによる地上ベースのTeV観測をタイムリーにトリガーする。手法には、既知のブラークラーを対象とした日次光度曲線、全天の変動性マッピング、高エネルギー光子のクラスタリングが含まれ、フレア検出の遅延が1日未塔となり、3C 454.3 や 4C 21.35 といった源のVERITASによる追従観測に成功している。

ABSTRACT

The Fermi Gamma-ray Space Telescope regularly surveys the entire sky in the energy range between 0.3 and 100 GeV with an homogeneous coverage. This makes Fermi a very useful guide for ground-based Cherenkov-telescope arrays like VERITAS, that are sensitive at energies above 100 GeV. The VERITAS collaboration uses information from Fermi-LAT to select potential targets and identify flaring objects in the GeV band. We describe three different analysis pipelines that automatically process and analyze Fermi-LAT data on a daily basis to look for flaring objects: daily light curves of selected targets, an all-sky analysis to identify new flaring sources, and an algorithm that looks for clusters of high-energy photons in time and arrival direction.

研究の動機と目的

• Fermi-LATが検出したGeV帯ガンマ線フレアと、VERITASによる地上ベースのTeV追従観測との間の遅延を短縮すること。
• TeVエネルギー帯で検出可能である可能性のある、GeV帯でフレアを示す源を特定すること。
• Telescope観測所の関心を引く源を含め、公に報告されたフレアを超えてFermiの監視を拡張すること。
• 一時的活動の迅速な検出を可能にする、自動化された日次Fermi-LATデータ処理を実現すること。
• フレア通知の遅延を最小限に抑えることで、同時多波長検出の確率を高めること。

提案手法

• 光子ファイルサイズに応じて、未バッチ化またはバッチ化された尤度適合を用いた日次時間平均スペクトル解析（特定のブラークラーを対象に）。
• 300 MeV以上および1 GeV以上のエネルギー帯で、1週間分および1日分の光度および有意性の光度曲線を日次で生成し、TSに基づく源フィルタリングを実施。
• 3日、1日、7日、30日間の露出補正済みマップを用いた全天監視により、変動性指数 V = (ϕ₃day − ϕ₂₁month)/ϕ₂₁month を計算。
• 既知の源の95%含有半径内におけるE > 3 GeVの光子に焦点を当てた光子クラスタリング解析により、短時間スケールのフレアを検出。
• Fermi Science Tools v9r18 を用いて自動データダウンロードおよび処理を実施し、TS < 4 の源を繰り返し削除することで、源モデルを段階的に最適化。
• フレアの特定に寄与する有意性検定 S = |ϕᵢ − ϕ_avg| / √(σᵢ² + σ_avg²) を用い、2σまたは3σ以上の有意な変動を特定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Fermi-LATデータの自動的・日次的解析は、公的アラートよりもGeV帯ガンマ線フレアを速やかに検出できるか？
• RQ2 全天の変動性マッピングは、公的データベースにまだ報告のない新たなフレア源を特定できるか？
• RQ3 高エネルギー光子クラスタリングは、ブラークラーのような高変動性源からの急速なフレアを検出できるか？
• RQ4 自動化されたFermi-LAT解析は、地上ベースのTeV追従観測の成功確率をどの程度向上できるか？
• RQ5 1日、3日、7日、30日という異なる時間スケールの統合窓は、多様な変動プロファイルをどの程度的確に捉えることができるか？

主な発見

• システムは2010年12月29日における3C 454.3のフレアを成功裏に検出しており、1 GeV以上のエネルギー帯で明確なflux増加を示す変動性指数Vが得られた。
• VERITASは、Fermiデータに基づき、ディレクターの特別時間割り当てを経て、3C 454.3およびB2 0200+30の観測をトリガーした。
• 個々の光子クラスタリング手法により、クェーサー4C 21.35に対してMJD 55605に高エネルギー光子クラスタが検出され、強いフレアを示すことが判明した。
• 全天の変動性マップは、V値が高いため、3C 454.3 や B2 0200+30 を含む新たなフレア源を示すホットスポットを明らかにした。
• 光度曲線の有意性検定Sは、3σ以上のflux変動を効果的に特定でき、信頼性の高いフレア検出を可能にした。
• システムにより遅延が1〜3日未塔に短縮され、公的Fermiアラートの通常の1〜3日遅延を顕著に上回る改善が達成された。