[論文レビュー] Detection of VER J2019+407 (G78.2+2.1) and Tycho's Supernova Remnant with VERITAS

A. J. Weinstein|arXiv (Cornell University)|Nov 4, 2011

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、VERITAS Cherenkov望遠鏡アレイを用いて、Tychoの超新星残骸（G120.1+1.4）およびG78.2+2.1に関連する拡張源VER J2019+407からの非常に高エネルギー（VHE）ガンマ線放射の検出を報告している。結果は、両者においてガンマ線の起源が核子的（hadronic）であることを支持しており、TychoのSNRでは磁場増幅の強い証拠が得られ、G78.2+2.1では分子雲が存在しないにもかかわらず、H iガスにおける中性パイオン崩壊を伴う妥当な核子的メカニズムが提示されている。

ABSTRACT

Supernova remnants (SNRs) are widely considered the most likely source of cosmic rays below the knee ($10^{15}$ eV). Studies of GeV and TeV gamma-ray emission in the vicinity of SNRs, in combination with multi-wavelength observations, can trace and constrain the nature of the charged particle population believed to be accelerated within SNR shocks. They may also speak to the diffusion and propagation of these energetic particles and to the nature of the acceleration mechanisms involved. We report here on the discoveries and interpretation of VHE gamma-ray emission from G120.1+1.4 (Tycho's SNR) and from the northwest shell of G78.2+2.1 (gamma-ray source VER J2019+407, which was discovered as a consequence of the VERITAS Cygnus region survey).

研究の動機と目的

• VHEガンマ線観測を用いて、Tychoの超新星残骸および源VER J2019+407（G78.2+2.1）からの非常に高エネルギー（VHE）ガンマ線放射の起源を調査すること。
• これらの超新星残骸におけるガンマ線放射が、相対論的電子による逆コンプトン散乱（leptonic）か、陽子-陽子衝突によるパイオン崩壊（hadronic）のどちらのプロセスに起因するかを特定すること。
• ガンマ線および多波長データから推定される磁場強度に基づいて、TychoのSNRにおける磁場増幅の役割を評価すること。
• G78.2+2.1において、分子雲が存在しない状況下で、H iガスを標的媒体として用いた核子的ガンマ線生成の可能性を評価すること。
• VER J2019+407が超新星残骸の殻と関連しているかを明確にし、パulsar wind nebula（PWN）などの代替説を除外すること。

提案手法

• 2008年から2010年の間に、サイグルス領域および標的源を対象に、4台の12メートル級のイメージング大気チェレンコフ望遠鏡からなるVERITASを用いて観測が実施された。
• 発光の形態を可視化し、過剰なカウントを特定するために、0.06°のガウスカーネルを用いたバックグラウンド差し引きガンマ線カウントマップが作成された。
• VERITASのポイントスプレッド関数（PSF）は、68%のエネルギーを含む半径が0.11°であり、これにより源の広がりと位置をモデル化し、点状と拡張状の放射を区別した。
• 電波、非熱的X線、およびVHEガンマ線データを用いてスペクトルエネルギー分布（SED）を構築し、レプトニックおよび核子的発光モデルを比較した。
• 2成分モデルをフィッティングした。1つは相対論的電子からの逆コンプトン（IC）放射を仮定し、もう1つは陽子-陽子衝突によるパイオン崩壊を仮定した。スペクトル指数とカットオフエネルギーをデータに適合させるように調整した。
• モデルは観測された放射度およびスペクトル指数と照合され、磁場強度はシンクロtron放射の薄さおよびIC放射の制約から導出された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 TychoのSNRからのVHEガンマ線放射は、核子的起源かレプトニック起源かに一致するか？
• RQ2 VER J2019+407からの観測されたガンマ線放射は、G78.2+2.1の殻をトレースしており、衝撃加速された粒子を示唆するか？
• RQ3 分子雲が存在しない状況下で、H iガスを標的媒体として用いた核子的ガンマ線生成は可能か？
• RQ4 TychoのSNRにおける推定磁場強度は何か？そして、磁場増幅を支持するか？
• RQ5 VER J2019+407からのガンマ線放射は、パルサー風ネビュラ（PWN）に起因するのか、それとも超新星残骸の衝撃波そのものに起因するのか？

主な発見

• VERITASは、1 TeV以上の積分放射度が1.87 ± 0.51 × 10⁻¹³ cm⁻²s⁻¹のVHEガンマ線放射をTychoのSNRから検出しており、これはカブスネバの約0.9%に相当する。
• TychoのSNRのTeVガンマ線スペクトルは、光子指数Γ = 1.95 ± 0.51（統計）± 0.30（系誤差）のパワーローでよくフィットしており、点状源と一致する。
• TychoのSNRからの観測されたガンマ線放射は、核子的起源によって最もよく説明され、磁場強度の下限が約230 μGに達しており、顕著な増幅が示唆される。
• VER J2019+407は、固有の広がりが0.18° ± 0.03°（統計）± 0.02°（系誤差）の拡張源として検出され、赤経20h 20m 00.0s、赤緯+40°49′12″（J2000）に位置する。
• VER J2019+407からの拡張放射は、G78.2+2.1の電波連続スペクトル殻および光学的[S ii]放射と一致しており、残骸の北縁に沿った衝撃加速を示唆している。
• VER J2019+407の位置でCO放射が検出されないことは、分子雲起源を除外するが、観測されたガンマ線放射度は、前駆動密度1–10 cm⁻³のH iガスを用いた核子的モデルと整合的である。