[論文レビュー] Detection of VHE Bridge emission from the Crab pulsar with the MAGIC Telescopes

T. Saito, S. Bonnefoy+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 10, 2015

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、2009年から2013年までの135時間にわたるMAGIC望遠鏡の観測データを用いて、カブスパルサーの2つの主要なパルスの間で、初めて非常に高エネルギー（VHE）ブリッジ放射の検出に成功した。この放射は50–400 GeVのエネルギー領域で観測され、6.2σの有意性を示しており、既存の曲率放射モデルに挑戦するものであり、ブリッジ位相におけるスペクトル硬化を示しており、現在の予測を超えるVHEパルサー放射メカニズムを説明するための新たな理論的枠組みの必要性を示唆している。

ABSTRACT

The Crab pulsar is the only astronomical pulsed source detected above 100 GeV. The emission mechanism of very high energy gamma-ray pulsation is not yet fully understood, although several theoretical models have been proposed. In order to test the new models, we measured the light curve and the spectra of the Crab pulsar with high precision by means of deep observations. We analyzed 135 hours of selected MAGIC data taken between 2009 and 2013 in stereoscopic mode. In order to discuss the spectral shape in connection with lower energies, 4.6 years of Fermi-LAT data were also analyzed. The known two pulses per period were detected with a significance of 8.0 sigma and 12.6 sigma. In addition, significant bridge emission was found between the two pulses with 6.2 sigma. This emission can not be explained with the existing theories. These data can be used for testing new theoretical models.

研究の動機と目的

• 50 GeVを超える非常に高エネルギー（VHE）領域におけるカブスパルサーの光度曲線およびスペクトルエネルギー分布（SED）を高精度で測定すること。
• 特に曲率放射および外部磁気圏放射のシナリオを含む、VHEガンマ線放射に関する既存の理論的モデルを検証すること。
• 現在のモデルでは説明できない、2つの主要パルスの間のブリッジ放射の存在とその性質を調査すること。
• 50 GeV未満のFermi-LATデータとMAGICのVHEデータを統合し、100 MeVから400 GeVの範囲で連続的なSEDを構築すること。
• パルス位相とスペクトル行動に関する高精度で多エネルギーのデータを提供することで、新たな理論的モデルを制約すること。

提案手法

• 2009年から2013年の間、135時間にわたるMAGIC望遠鏡による深さのあるステレオ観測。感度を最適化するため、天頂角が35°未満のデータを選択した。
• Jodrell Bankの電波観測から得られた正確な回転パラメータを用いて、イベント到着時刻をパルサーの回転位相に変換するため、Tempo2およびMARSソフトウェアを用いた。
• 2008年から2014年までの4.6年間のFermi-LAT Pass 7リプロセスドデータ（100 MeV～300 GeV）を分析。P7REP_SOURCE_V15の機器応答関数とScienceTools v9r32p5を用いた。
• ビン化された尤度法を用い、40°×40°の観測領域を対象とし、0.2°のビン分割を実施。背景として銀河および外部銀河背景放射、および2FGLカタログの天体を含めた。
• MAGICデータのスペクトルフィッティングには単純なパワーロー法を、Fermi-LATデータのフィッティングには指数カットオフ付きパワーロー法を用い、最大尤度法により輝度正規化およびスペクトル指数を導出した。
• カブスパルサーのネビュラSEDを用いたエネルギースケールおよび輝度正規化のクロスキャリブレーションを行い、エネルギーに関する系統的不確実性を17%、輝度に関しては18%と推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 カブスパルサーの2つの主要パルスの間には、50 GeVを超えるエネルギー領域でVHEブリッジ放射が存在するか？
• RQ2 100 MeVから400 GeVの範囲で、ブリッジ放射のスペクトルエネルギー分布（SED）は、主パルスのSEDとどのように比較されるか？
• RQ3 第二パルス（P2M）、ブリッジ放射（BridgeM）、第一パルス（P1M）の間の輝度比は、光子エネルギーに依存して変化するか？その結果は、放射メカニズムに何を示唆するか？
• RQ4 外磁気圏における曲率放射のような既存の理論的モデルは、観測されたVHE光度曲線およびブリッジ位相におけるスペクトル硬化を説明できるか？
• RQ5 50 GeV未満のFermi-LATデータと組み合わせた場合、ブリッジ放射の有意性およびスペクトル行動はどのようになるか？

主な発見

• カブスパルサーは2つの主要パルスに加え、それらの間に顕著なブリッジ放射を示しており、50–400 GeVのエネルギー領域で6.2σの有意性で検出された。
• 輝度比P2M/P1Mはエネルギーに伴い増加し、100 GeVで約3.25の値を示しており、第二パルスにやや硬いスペクトルが存在することを示唆している。
• 50–400 GeVのエネルギー範囲で、ブリッジ放射の輝度（BridgeM）は第一パルスの輝度（P1M）と同等であり、100 GeVにおける輝度比BridgeM/P1Mは1.38であった。
• ブリッジ位相のスペクトルエネルギー分布（SED）は、50 GeVから400 GeVの間でパワーロー指数Γ₂ = 3.35 ± 0.79を示しており、エネルギー範囲全体にわたり硬いスペクトルであることが一貫している。
• Fermi-LAT（100 MeV～300 GeV）とMAGIC（50 GeV～400 GeV）のSEDは滑らかに接続されており、カブスパルサーの放射がVHE帯とGeV帯の間で連続的であることを確認した。
• スペクトル勾配の全体的な系統的不確実性は0.3、エネルギースケールの不確実性は17%と推定され、スペクトル測定の信頼性が裏付けられている。