[論文レビュー] Characterizing the population of pulsars in the inner Galaxy with the Fermi Large Area Telescope

M. Ajello|arXiv (Cornell University)|Apr 28, 2017

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 3被引用数 32

ひとこと要約

本論文は、銀河中心で長年にわたり観測された高エネルギー放射の過剰分を、銀河中心部に存在する未解明のガンマ線パルサー集団が説明できるかどうかを調査している。7.5年間のFermi-LATデータと2つの間銀河放出モデルを用いて、スペクトルエネルギー分布（SED）基準（特に、光子指数 < 2、エネルギーカットオフ < 10 GeV、曲率パラメータ > 9）により66個のパルサー候補を同定した。この結果は、銀河中心過剰放射のパルサー解釈を強く支持するものである。

ABSTRACT

An excess of $γ$-ray emission from the Galactic Center (GC) region with respect to predictions based on a variety of interstellar emission models and $γ$-ray source catalogs has been found by many groups using data from the {\it Fermi} Large Area Telescope (LAT). Several interpretations of this excess have been invoked. In this paper we search for members of an unresolved population of $γ$-ray pulsars located in the inner Galaxy that are predicted by the interpretation of the GC excess as being due to a population of such sources. We use cataloged LAT sources to derive criteria that efficiently select pulsars with very small contamination from blazars. We search for point sources in the inner $40^\circ imes40^\circ$ region of the Galaxy, derive a list of approximately 400 sources, and apply pulsar selection criteria to extract pulsar candidates among our source list. We performed the entire data analysis chain with two different interstellar emission models (IEMs), and found a total of 135 pulsar candidates, of which 66 were selected with both IEMs.

研究の動機と目的

• 銀河中心における未解明のガンマ線過剰放射が、解明されていないパルサー集団に起因するという仮説を検証すること。
• Fermi-LATデータを用いて、銀河の内側40°×40°領域に存在する潜在的パルサー候補を同定および特徴づけること。
• パルサーとブラザールを最小限の混入で区別できる、堅牢なスペクトル選別基準を開発・適用すること。
• 観測された過剰放射を説明するのに必要な、銀河バルジのパルサーの総数および全放射度分布を制約すること。

提案手法

• 0.3–500 GeVのエネルギー範囲で、銀河中心を基準とする40°×40°領域について、7.5年間のPass 8 Fermi-LATデータを分析した。
• 2つの独立した間銀河放出モデル（IEMs）を用いて、拡散的背景をモデル化し、点源を分離した。
• より長い統合時間のおかげで、従来のカタログを上回る約400個の点源を含む初期リストを作成した。
• パワーロウに指数カットオフを加えたモデル（PLE）を用いたスペクトルエネルギー分布（SED）フィッティングを実施し、パルサーとブラザールを区別した。
• 選別基準として、光子指数（Γ）< 2、エネルギーカットオフ（Ecut）< 10 GeV、曲率パラメータ（TSPLE_curv）> 9を定義した。これは、既知のパルサーとブラザールとの間のSEDの差異に基づく。
• 2つのIEMを用いて結果を検証し、モデル間の整合性を照合することで、候補選別プロセスの堅牢性を確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 未解明のガンマ線パルサー集団が、銀河中心で観測された過剰放射を説明できるか？
• RQ2 Fermi-LATのエネルギー範囲において、パルサーとブラザールを信頼性高く区別するスペクトル的特徴は何か？
• RQ3 現在のデータとモデリングを用いて、銀河内側で何個のパルサー候補を同定できるか？
• RQ4 パルサー集団が観測された銀河中心過剰放射を再現するには、どのような全放射度および空間分布が必要か？
• RQ5 間銀河放出モデルの仮定を変更しても、結果はどれほど頑健か？

主な発見

• 2つの間銀河放出モデルを用いた分析で、合計135個のパルサー候補を同定したが、両モデルで選別されたのは66個であった。
• スペクトル基準（Γ < 2、Ecut < 10 GeV、TSPLE_curv > 9）は、パルサーに類似した源を効果的に抽出できた。既知のガンマ線パルサーの82％がこれらの条件を満たす一方、ブラザールのうち9％しか満たさなかった。
• 3FGLカタログにおける曲がったSEDを示す未関連源の数から、銀河ディスクに4,000～16,000個のパルサー集団が存在すると推定された。
• 銀河バルジのパルサー集団をモデル化した結果、観測された過剰放射を再現するには、全放射度が10^33～10^36 erg s⁻¹の範囲にあり、800～3,600個の源が必要であると判明した。
• シミュレートされたバルジパルサー集団のエネルギースペクトルおよび緯度プロファイルは、Calore et al. (2015) や Ackermann et al. (2017) が報告した観測結果とよく一致した。
• 2つの独立した間銀河放出モデルを用いた分析結果は一貫しており、候補選別とパルサー解釈の信頼性を高めた。