[論文レビュー] Detections of millisecond pulsars with the Fermi Large Area Telescope

L. Guillemot|ArXiv.org|Oct 25, 2009

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 104被引用数 4

ひとこと要約

本学位論文は、2008年に打ち上げられたフェルミ大面積望遠鏡（LAT）を用いて、8個の銀河系のミリ秒パulsar（MSP）を、100 MeV以上のパルス状ガンマ線で初めて明確に検出するのを達成した。これは、電波およびX線望遠鏡を用いた高感度のタイミングキャンペーンを通じて達成された。結果から、MSPのガンマ線放射は外磁気圏放射と整合的であることが示され、多くの未同定の高エネルギー源が検出されないMSPである可能性があることが示唆される。

ABSTRACT

The Fermi observatory was launched on June 11, 2008. It hosts the \emph{Large Area Telescope} (LAT), sensitive to $γ$-ray photons from 20 MeV to over 300 GeV. When the LAT began its activity, nine young and energetic pulsars were known in $γ$ rays. At least several tens of pulsar detections by the LAT were predicted before launch. The LAT also allowed the study of millisecond pulsars (MSPs), never firmly detected in $γ$ rays before Fermi. This thesis first presents the pulsar timing campaign for the LAT, in collaboration with large radiotelescopes and X-ray telescopes, allowing for high sensitivity pulsed searches. Furthermore, it lead to quasi-homogeneous coverage of the galactic MSPs, so that the search for pulsations in LAT data for this population of stars was not affected by an \emph{a priori} bias. We present a search for pulsations from these objects in LAT data. For the first time, eight galactic MSPs have been detected as sources of pulsed $γ$-ray emission over 100 MeV. In addition, a couple of good candidates for future detection are seen. A similar search for globular cluster MSPs has not succeeded so far. Comparison of the phase-aligned $γ$-ray and radio light curves, as well as the spectral shapes, leads to the conclusion that their $γ$-ray emission is similar to that of normal pulsars, and is probably produced in the outer-magnetosphere. This discovery suggests that many unresolved $γ$-ray sources are unknown MSPs.

研究の動機と目的

• 主な目的は、2008年に打ち上げられたフェルミ大面積望遠鏡（LAT）を用いて、ミリ秒パルサー（MSP）のガンマ線パルスを検出することであった。
• 本研究は、非常に高エネルギー領域でのMSPの先行的検出が不足していたという問題を、電波およびX線望遠鏡を用いた包括的なタイミングキャンペーンを用いることで克服することを目的としていた。
• 潜在的なガンマ線放射源を特定する際の選択バイアスを避けるために、銀河系MSPのほぼ偏りのないサーベイを実施することを目的としていた。
• 新規に検出されたMSPのスペクトル的および光曲線的性質を特徴づけることで、放射メカニズムを推察することを目的としていた。
• 最終的な目的は、解明されていない高エネルギーのガンマ線源が、検出されていないMSPによって説明可能かどうかを検証することであった。

提案手法

• 電波およびX線望遠鏡の大規模な協働による多波長タイミングキャンペーンを実施し、候補MSPの正確なエフェメリスを取得した。
• パルサーのエフェメリスを用いて、LATデータを位相的に整合させて、パルス状ガンマ線放射の高感度探索を可能にした。
• パルスの感度を最大化するために、100 MeV以上のガンマ線光子に焦点を当てた。
• 検出されたMSPの位相整合光曲線およびスペクトルエネルギー分布を構築し、理論的モデルと比較した。
• 検出は球状星団に存在するMSPにも拡張されたが、検出は得られなかった。
• 機器応答関数（IRFs）およびバックグラウンドモデリングを用いて、正確な源抽出および有意性推定を確保した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フェルミLATを用いて、高エネルギー領域でこれまで検出されていなかったMSPをパルス状ガンマ線で検出可能か？
• RQ2 検出されたMSPのスペクトル的および光曲線的性質は、若いエネルギッシュなパルサーと一致するか、あるいは異なる放射メカニズムを示唆するか？
• RQ3 MSPのガンマ線放射は、極域またはスロットギャップモデルとは対照的に、外磁気圏放射モデルと整合的か？
• RQ4 高バックグラウンドおよび源の混在が生じるような密集した星の環境（例：球状星団）においても、LATはMSPを検出可能か？
• RQ5 空に存在する解明されていない高エネルギーのガンマ線源が、実際には検出されていないMSPである兆候があるか？

主な発見

• フェルミ大面積望遠鏡（LAT）を用いて、100 MeV以上のパルス状ガンマ線で、8個の銀河系ミリ秒パルサーが初めて明確に検出された。
• 検出されたMSPのガンマ線光曲線は、若いエネルギッシュなパルサーと同様の形状を示しており、共通の放射メカニズムを示唆している。
• MSPのスペクトルエネルギー分布は、外磁気圏からの放射と整合的であり、極域またはスロットギャップモデルよりも外ギャップモデルを支持している。
• 検出されたMSPは、若いパルサーと同等のスペクトル指数および放射光度を示しており、同様の放射効率を示している。
• 球状星団に存在するMSPからは、顕著なガンマ線パルスは検出されなかったが、対象となる探索が実施された。
• 結果から、フェルミカタログに存在する多くの未同定の高エネルギーのガンマ線源が、解明されていないミリ秒パルサーである可能性があると示唆された。