[論文レビュー] Detection of the Crab Pulsar with VERITAS above 100 GeV

A. McCann|arXiv (Cornell University)|Oct 19, 2011

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、アリゾナ州南西部に位置するVERITASチェレンコフ望遠鏡アレイを用いて、100 GeVを超えるエネルギーで、クモリ星雲のパルサーからの周期的ガンマ線放射を初めて検出したことについて報告している。100 GeVを超えるエネルギー領域における観測スペクトルは、破れたべき乗法則で最もよく記述され、これは曲率放射が支配的な放射メカニズムであるのを排除し、放射領域が中性子星表面から10個以上の星半径以上離れていることを示唆している。

ABSTRACT

We discuss the recent detection of pulsed gamma-ray emission from the Crab Pulsar above 100 GeV with the VERITAS array of atmospheric Cherenkov telescopes. Gamma-ray emission at theses energies is not expected in present pulsar models. We find that the photon spectrum of pulsed emission between 100 MeV and 400 GeV can be described by a broken power law, and that it is statistically preferred over a power law with an exponential cut-off. In the VERITAS energy range the spectrum can be described with a simple power law with a spectral index of -3.8 and a flux normalization at 150 GeV that is equivalent to 1% of the Crab Nebula gamma-ray flux. The detection of pulsed emission above 100 GeV and the absence of an exponential cutoff rules out curvature radiation as the primary gamma-ray-producing mechanism. The pulse profile exhibits the characteristic two pulses of the Crab Pulsar at phases 0.0 and 0.4, albeit 2-3 times narrower than below 10 GeV. The narrowing can be interpreted as a tapered particle acceleration region in the magnetosphere. Our findings require that the emission region of the observed gamma rays be beyond 10 stellar radii from the neutron star.

研究の動機と目的

• 100 GeVを超えるエネルギー帯でクモリ星雲パルサーからの周期的ガンマ線放射を検出すること。標準的なパルサーモデルでは、このエネルギー領域に急激な指数的カットオフが予測されている。
• 高エネルギーパルサーにおけるガンマ線放射の主要メカニズムとしての曲率放射の妥当性を検証すること。
• スペクトルおよびパルスプロファイルの特徴を分析することで、放射領域の幾何学的配置と位置を制約すること。
• 10 GeVを超えるエネルギー帯での観測フラックスと指数的カットオフモデルの予測との乖離を解消すること。
• 1 GeVを超えるエネルギー帯でのスペクトルの折り返し（turnover）が、破れたべき乗法則か指数的カットオフか、どちらによってよりよく記述されるかを特定すること。

提案手法

• VERITASは、4台の12メートルの像式大気チェレンコフ望遠鏡を用い、南アリゾナで107時間のデータ（有効時間97時間）を、ウブリングモードで収集した。
• エネルギーと方向を特定するためのモーメント解析を用いたイベント再構築を行い、スペクトル指数α = -4に最適化された選別手法を採用した。
• バリセントリック補正とヨドレル・バンクのパルサーエフェマリスを用いて、イベントの位相を正確に補正した。
• パルス放射の有意性を評価するためにH検定を適用した。全パルスプロファイルに対して6.0σの有意性が得られた。
• 位相畳み込み解析により、メインパルス（P1）とインターパルス（P2）を分離した。それぞれの有意性は4.7σおよび7.9σであった。
• スペクトルエネルギー分布（SED）は、P1およびP2の信号領域を組み合わせて構築した。前方フォールディング法を用いて、破れたべき乗法則モデルおよび指数的カットオフモデルによるフィットを実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 クモリ星雲パルサーからの周期的ガンマ線放射は、100 GeVを超えるエネルギー帯で検出可能か？
• RQ2 100 GeVを超えるエネルギー帯でのスペクトル形状は、破れたべき乗法則か指数的カットオフか、どちらに優位性を示すか？
• RQ3 曲率放射は、観測された高エネルギー放射を説明できるか？
• RQ4 放射領域は中性子星からどの程度離れているか？
• RQ5 25 GeVを超えるエネルギー帯で、メインパルス（P1）とインターパルス（P2）のスペクトル指数はどのように比較されるか？

主な発見

• クモリ星雲パルサーからの周期的ガンマ線放射が、100 GeVを超えるエネルギー帯で6.0標準偏差の有意性で検出された。
• 100 GeVから400 GeVの間の位相平均スペクトルは、スペクトル指数-3.8 ± 0.5（統計的誤差）の単純なべき乗法則で最もよく記述され、150 GeVにおけるフラックス正規化は4.2 × 10⁻¹¹ TeV⁻¹ cm⁻² s⁻¹であった。
• 100 MeVから300 GeVのスペクトルエネルギー分布は、指数的カットオフモデルに対して破れたべき乗法則モデルが統計的に優位であり、指数的カットオフモデルのχ²確率は3.6 × 10⁻⁸であった。
• 200–400 GeVでの放射の検出は、放射領域が中性子星表面から少なくとも10個の星半径以上離れている必要があることを示唆している。
• パルスプロファイルは、位相0.0および0.4にピークを示すが、10 GeV未満の領域と比較して2～3倍狭く、粒子加速領域が段階的に減衰している可能性を示唆している。
• P2とP1の強度比は2.4 ± 0.6であり、P2のスペクトル指数はP1よりも0.56 ± 0.16だけ急である。これはエネルギー依存性のある放射メカニズムを示している。