[論文レビュー] Diffuse TeV Gamma-Ray Emission in the H.E.S.S. Galactic Plane Survey

K. Egberts, F. Brun+6 more|arXiv (Cornell University)|Aug 1, 2013

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、H.E.S.S. ロイヤル・ギャラクティック・プラン・サーベイを用いて、高解像度の画像化大気チェレンコフ望遠鏡を活用し、きめ細かくバックグラウンドを差し引いたうえで、初めての観測的評価を実施した、拡散的TeVガンマ線放射のものである。データは、宇宙線が星間ガスと相互作用する際に予測されるパイオン崩壊寄与を上回る顕著な過剰を示しており、未解明の源と逆コンプトン散乱からの寄与が顕著であることを示している。

ABSTRACT

Diffuse gamma-ray emission has long been established as the most prominent feature in the GeV sky. Although the imaging atmospheric Cherenkov technique has been successful in revealing a large population of discrete TeV gamma-ray sources, a thorough investigation of diffuse emission at TeV energies is still pending. Data from the Galactic Plane Survey (GPS) obtained by the High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) have now achieved a sensitivity and coverage adequate for probing signatures of diffuse emission in the energy range of ~100 GeV to a few TeV. Gamma-rays are produced in cosmic-ray interactions with the interstellar medium (aka "sea of cosmic rays") and in inverse Compton scattering on cosmic photon fields. This inevitably leads to guaranteed gamma-ray emission related to the gas content along the line-of-sight. Further contributions relate to those gamma-ray sources that fall below the current detection threshold and the aforementioned inverse Compton emission. Based on the H.E.S.S. GPS, we present the first observational assessment of diffuse TeV gamma-ray emission. The observation is compared with corresponding flux predictions based on the HI (LAB data) and CO (as a tracer of H2, NANTEN data) gas distributions. Consequences for unresolved source contributions and the anticipated level of inverse Compton emission are discussed.

研究の動機と目的

• 画像化大気チェレンコフ望遠鏡を用いて、銀河平面における大規模な拡散的TeVガンマ線放射を測定すること。
• 星間ガス（HIおよびH₂）との宇宙線相互作用によるπ⁰崩壊を介した観測された拡散放射への寄与を評価すること。
• 未解明のガンマ線源および星間放射場における逆コンプトン散乱の寄与を制限すること。
• 限界視野を持つ機器を用いた拡散放射測定におけるバックグラウンド差し引きの感度および手法的課題を評価すること。
• 観測された拡散フラックスを、ガス分布および局所的宇宙線スペクトルに基づく理論的予測と比較すること。

提案手法

• −75° < l < 60°および−2° < b < 2°をカバーする1926時間のデッドタイム補正済みH.E.S.S. GPSデータを使用した。
• ガンマ線とハドロンの分離を最適化するため、標準的およびハードなイベント再構築カットを適用した。
• 信号汚染を最小限に抑えるために、適応的リングバックグラウンド差し引き法を実装した。
• γ線の有意水準が4σ以上（または隣接するビンで4.5σ以上）の領域およびそのような源から0.2°以内の領域を除外し、源の漏れを回避した。
• |b| < 1.2°を除外することで、ガス関連放射による汚染を低減しつつ統計的パワーを維持した。
• LABのHIおよびNANTENのCOデータを用いて、一定のX_COおよび局所的宇宙線スペクトルを仮定し、予想されるπ⁰崩壊フラックスを計算した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 観測された拡散的TeVガンマ線放射は、星間媒体内でのp-p相互作用によって予測されるフラックスをどの程度上回っているか？
• RQ2 観測された拡散フラックスのどの程度が、検出限界以下の未解明のガンマ線源に起因していると考えられるか？
• RQ3 高エネルギー電子による逆コンプトン散乱が、拡散的TeV放射にどの程度の寄与をしているか？
• RQ4 バックグラウンド差し引きの系統的効果が、拡散放射測定の解釈にどのように影響するか？
• RQ5 過剰放射の空間的分布は、銀河平面およびガス密度に対してどのように分布しているか？

主な発見

• H.E.S.S.データは、b ≈ −0.25°で、p-p相互作用によるベースライン予測を上回る拡散放射の過剰を示している。
• |b| < 1°の領域では、観測された拡散フラックスは測定値のおよそ25%にとどまっているため、未解明の源が信号の75%未満を占めていると考えられる。
• ガス相互作用に起因する予想されるπ⁰崩壊フラックスは、銀河中心平面部で観測された拡散フラックスのわずか~25%にとどまっている。
• |b| < 1°領域では、源を含めた全フラックスに占めるπ⁰崩壊の寄与は10%未満であるため、他の成分が支配的であることが示唆される。
• 逆コンプトン散乱は、特に高緯度域で顕著な寄与を示すと予想されるが、バックグラウンド差し引きの影響を受けるため、測定可能なのは勾配のみである。
• 観測された過剰は、既知のガス関連放射では完全に説明できないため、大幅な未解明源集団または強化された逆コンプトン放射の存在を示唆している。