[論文レビュー] Cross Calibration of Imaging Air Cherenkov Telescopes with Fermi

M. Meyer, D. Horns+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 18, 2009

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 21被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、2成分の電子分布を含む更新されたカブスネビュラのスペクトルエネルギー分布（SED）モデルを用いて、フェルミ/LATと地上型イメージング・チェレンコフ望遠鏡（IACTs）の間のクロスキャリブレーション手法を提示する。フェルミの高精度なγ線測定にモデルをフィットさせることで、IACTのエネルギースケールに関する系統的不確実性を約15％から1％未満に低減するエネルギースケーリング要因を導出し、フェルミと地上観測データの整合的組み合わせを可能にし、より高精度な天体物理学的測定を実現する。

ABSTRACT

An updated model for the synchrotron and inverse Compton emission from a population of high energy electrons of the Crab Nebula is used to reproduce the measured spectral energy distribution from radio to high energy gamma-rays. By comparing the predicted inverse Compton component with recent Fermi measurements of the nebula's emission, it is possible to determine the average magnetic field in the nebula and to derive the underlying electron energy distribution. The model calculation can then be used to cross calibrate the Fermi observations with ground based air shower measurements. The resulting energy calibration factors are derived and can be used for combining broad energy measurements taken with Fermi in conjunction with ground based measurements.

研究の動機と目的

• 地上型IACTのエネルギースケールに関する系統的不確実性を、現在約15％であるのをフェルミ/LATデータとのクロスキャリブレーションにより低減すること。
• 相対論的電子からのシンクロtron放射および逆チェレンコフ放射を含む、物理的に整合性のあるカブスネビュラの全波長範囲のSEDモデルの構築。
• H.E.S.S.、MAGIC、HEGRAなどのIACTのエネルギー測定をフェルミ/LATのエネルギースケールに一致させるためのエネルギースケーリング要因の導出。
• クロスキャリブレーションを適用して、拡散γ線背景の制約を強化し、宇宙線電子スペクトルにおける過剰成分の有意性を評価すること。
• 複数のエネルギー帯域にわたり、高エネルギーγ線天文学における信頼性の高い標準キャンドルとしてのカブスネビュラの確立。

提案手法

• 2つの電子エネルギー分布と一定磁場を仮定し、空間的分布をガウシアンでモデル化することで、カブスネビュラのSEDの更新されたモデルを構築する。
• シンクロtron放射および逆チェレンコフ（IC）放射は、標準的な素粒子物理学の公式を用いて計算する：シンクロtron放射の1粒子発光度（式2）およびIC放射の（式3）を含み、運動論的変数（式5）とIC分布関数（式6）を含む。
• 種としての光子場（宇宙マイクロ波背景、シンクロtron放射、ダスト放射、光学線）を電子密度と畳み込むことで、有効なIC光子密度を計算する。
• モデルをフェルミ/LATデータ（100 MeV〜300 GeV）にフィットさせ、平均磁場および電子スペクトルを決定し、これによりクロスキャリブレーションの基準とする。
• モデル予測のIC放射束とIACT測定値を比較してエネルギースケーリング要因を導出し、IACTデータの系統的エネルギースケールオフセットを補正する。
• クロスキャリブレーションをH.E.S.S.およびフェルミの電子＋陽電子スペクトルに適用し、エネルギースケールに関する系統的不確実性を考慮した、拡散γ線背景に対する保守的な上限を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フェルミ/LATによる逆チェレンコフ成分の測定から制約される、カブスネビュラ内の平均磁場強度は何か？
• RQ2 物理的に整合性のあるカブスネビュラモデルを用いることで、地上型IACTのエネルギースケール不確実性を約15％から1％未満に低減する方法は何か？
• RQ3 クロスキャリブレーションは、アティックピークのような宇宙線電子スペクトルの過剰成分の解釈にどの程度影響を及えるか？
• RQ4 クロスキャリブレーションを施したIACTとフェルミのデータを組み合わせることで、TeVエネルギー帯における拡散γ線背景のより頑健な上限を導出できるか？
• RQ5 CMB、シンクロtron、ダスト、光学線といった複数の種光子場を組み込むことで、SEDモデルの精度はどの程度向上するか？

主な発見

• 平均磁場強度は、フェルミ/LATデータに最もよく合うモデルと整合的であり、正確なIC放射束の予測が可能になる。
• IACTの導出されたエネルギースケーリング要因は、H.E.S.S.が0.961 ± 0.004、MAGICが1.03 ± 0.01、HEGRAが1.042 ± 0.005、フェルミ/LATが1.00（基準）であり、エネルギースケールに関する系統的不確実性が低減される。
• クロスキャリブレーションを適用した後、アティックの電子＋陽電子スペクトルのピークはもはや有意でなくなる可能性が示され、これはエネルギースケールの不確実性に起因するアーチファクトである可能性を示唆する。
• クロスキャリブレーションにより、H.E.S.S.とフェルミのデータの信頼性ある比較が可能となり、系統的不確実性が低減した拡散γ線背景に対する保守的な上限が得られる。
• モデルは、電波からTeVγ線に至るカブスネビュラの全波長範囲のSEDをうまく再現しており、校正基準としての有効性が検証される。
• クロスキャリブレーション手法は、将来的な異なる機器およびエネルギー帯域におけるγ線測定の標準化のための堅牢なフレームワークを提供する。