[論文レビュー] Combined VERITAS and NuSTAR observations of the gamma-ray binary HESS J0632+057

R. R. Prado, Charles Hailey+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2019

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 5被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、γ線連星 HESS J0632+057 の軌道位相 ≈0.22 および 0.30 の期間中に、同時に観測された NuSTAR（硬X線、3–30 keV）および VERITAS（TeVガンマ線、0.1–5 TeV）のデータを用い、パルサー風のシナリオを検証した。スペクトルエネルギー分布（SED）は、シンクロトロン放射および逆コンプトン放射を用いてモデル化され、パルサーの回転減速光度（Lsd）と風の磁化度（σ）の間の一貫性のある Lsd–σ 関係が得られ、終端衝撃波における σ ≈ 0.003–0.03 の範囲が得られ、パルサー仮説を支持するとともに、中距離領域における風の終端部における「σ問題」を解消するものとなった。

ABSTRACT

HESS J0632+057 is a gamma-ray binary composed of a compact object and a Be star, with an orbital period of about 315 days. The actual nature of its non-thermal emission, spanning from radio to very-high-energy (VHE, >100 GeV) gamma-rays, is currently unknown. In this contribution we will present the results of a set of simultaneous observations performed by the NuSTAR X-ray telescope and the VERITAS observatory. The combination of hard X-rays (3-30 keV) and VHE gamma-rays (0.1-5 TeV) provide valuable information for the understanding of the radiative processes occurring in the system. The spectral energy distributions (SED) derived from the observations are used to probe the pulsar scenario, in which the system is powered by a rapidly rotating neutron star. The non-thermal emission is produced by the particles accelerated at the shock formed by the collision of the pulsar and stellar winds. As a results of the model fitting, we constrain the relation between the pulsar spin-down luminosity and the magnetization of the pulsar wind.

研究の動機と目的

• パルサー風のシナリオを検証し、非熱的放射がパルサー風と恒星風の衝突によって形成される衝撃波で加速された電子に起因するものであるかを検証する。
• 同時硬X線およびTeVガンマ線データを用いて、パルサー回転減速光度（Lsd）と風の磁化度（σ）の関係を制約する。
• 特にパルサー風の進化における「σ問題」の文脈において、軌道解の不確実性が導かれる物理的パラメータに与える影響を評価する。

提案手法

• 2017年11月および12月に、軌道位相 ≈0.22 および 0.30 の期間中に、NuSTAR（硬X線、3–30 keV）および VERITAS（TeVガンマ線、0.1–5 TeV）を用いた同時観測が実施された。
• X線スペクトル解析では、NuSTAR データに単一のパワー則モデルを適合させ、3 keV 以上のエネルギー領域ではISM吸収が無視できるため、固有スペクトル指数をISN吸収に依存せずに独立して導出した。
• TeVガンマ線データは、SEDの構築に用いられ、その後、シンクロトロン放射（X線）と逆コンプトン散乱（TeVガンマ線）を含むレプトン系放射フレームワークを用いてモデル化された。
• モデルは、Ecut = 5 TeV でカットオフを持つパワー則電子エネルギー分布を仮定し、Emin = 0.2 TeV から開始され、組み合わせたSEDに適合させることで Lsd–σ 関係が導出された。
• システムパラメータの不確実性の影響を評価するため、質量放出率（Ṁw）などの主要入力を変化させた感度解析が実施され、Ṁw が不確実性の主因であることが判明した。
• 幾何的効果を評価するために2つの軌道解がテストされたが、両者とも一貫性のある結果を示し、システムの幾何構造にほとんど依存しないことが示された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HESS J0632+057 における非熱的放射の性質は、X線からVHEガンマ線帯域でどのように特徴づけられるか？
• RQ2 観測されたSEDは、衝撃波加速と逆コンプトン散乱を含むパルサー風モデルによって一貫して説明可能か？
• RQ3 同時硬X線およびTeVガンマ線観測から、パルサー回転減速光度（Lsd）と風の磁化度（σ）にどのような制約を課すことができるか？
• RQ4 特に質量放出率（Ṁw）の不確実性が、導出された Lsd–σ 関係に与える影響は何か？
• RQ5 観測された Lsd–σ 関係は、パルサー風シナリオを支持するものであり、パルサー風の進化における「σ問題」を解消する手がかりとなるか？

主な発見

• 2017年11月の NuSTAR X線スペクトルは、単一のパワー則モデルでよく適合され、光子指数 Γ = 1.77 ± 0.05、0.3–30 keV バンドにおける全フラックスは (2.42 ± 0.13) × 10⁻¹² erg cm⁻² s⁻¹ であった。
• 2017年12月のX線スペクトルは顕著な硬化を示し、Γ = 1.56 ± 0.05 であった。これはX線の増大期におけるより硬いスペクトルを示している。
• NuSTAR および VERITAS の組み合わせSEDは、シンクロトロン放射によるX線と、恒星光子の逆コンプトン散乱によるTeVガンマ線を含むレプトン系シナリオで成功裏にモデル化された。
• モデル適合により、終端衝撃波における風の磁化度 σ は 0.003–0.03 の範囲に制限され、中距離領域における風の終端部の理論的期待値と整合的であった。
• 両方の軌道解において、パルサー回転減速光度の1σ上限は Lsd < 7 × 10³⁷ erg s⁻¹ であり、非常に若いパルサーが示す値と整合的であった。
• 質量放出率（Ṁw）は、Lsd–σ 関係における不確実性の主因であることが判明したが、他のシステムパラメータの不確実性は小さい影響にとどまった。