[論文レビュー] Discovery of VHE gamma-ray emission from the W49 region with H.E.S.S

F. Brun, M. de Naurois+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 26, 2011

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 8

ひとこと要約

H.E.S.S.は、W49Bという超新星残光に主に関連する非常に高エネルギー（VHE）ガンマ線放射を8.8σの有意水準で検出。VHEスペクトル（Γ = 3.1 ± 0.3）およびGeV放射や分子雲との空間的一致は、宇宙線が高密度物質と相互作用してパイオン崩壊を経て発生するバリオン的起源を支持する。一方、星形成領域W49A向けのVHE放射は予備的だが有望な結果である。

ABSTRACT

The W49 region hosts two bright radio sources: the star forming region W49A and the supernova remnant W49B. The 10^6 M_odot Giant Molecular Cloud W49A is one of the most luminous giant radio HII regions in our Galaxy and hosts several active, high-mass star formation sites. The mixed-morphology supernova remnant W49B has one of the highest surface brightness in radio of all the SNRs of this class in our Galaxy and is one of the brightest ejecta-dominated SNRs in X-rays. Infrared observations evidenced that W49B is interacting with molecular clouds and Fermi recently reported the detection of a coincident bright, high-energy gamma-ray source. Observations by the H.E.S.S. telescope array resulted in the significant detection of VHE gamma-ray emission from the W49 region, compatible with VHE emission from the SNR W49B. The results, the morphology and the origin of the VHE emission are presented in the multi-wavelength context and the implications on the origin of the signal are discussed.

研究の動機と目的

• W49領域（星形成領域W49Aと超新星残光W49Bを併せ持つ複雑な領域）における高エネルギーガンマ線放射の起源を調査すること。
• W49BからのVHEガンマ線放射がバリオン的過程（パイオン崩壊）によるものか、またはレプトン的過程（逆コンプトン散乱）によるものかを特定すること。
• 高密度分子雲が粒子相互作用を通じてVHE放射を強化する役割を評価すること。
• 高質量星形成活動を示すW49AがVHEガンマ線源として寄与する可能性を評価すること。
• VHE、GeV、電波、分子線データの多波長整合性を確立すること。

提案手法

• H.E.S.S.はナミビアの4台の13メートルの像チレンコフ望遠鏡アレイを用い、良好な天候下で合計60時間の観測を実施した。
• 最小光電子数閾値60個のモデル解析手法を用い、エネルギー閾値は約260 GeVを達成した。
• W49A（l=43.17°, b=0.0°）およびW49B（l=43.27°, b=-0.19°）を中心に半径0.1°の円形領域内において、過剰なガンマ線イベントを抽出した。
• 点拡がかり関数（PSF）を用いて過剰マップを平滑化し、68%包含半径R68 = 0.066°を取得した。
• 260 GeV以上のエネルギー領域でパワー則モデルを用いてエネルギースペクトル分布を導出：dN/dE = N₀(E/1 TeV)^{-Γ}。
• Fermi-LAT、NVSS電波、CO(1-0)ギャラクティックリング調査データとの独立的解析およびクロス識別により、結果の妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 W49BからのVHEガンマ線放射は、高密度分子雲内での粒子加速とパイオン崩壊によるバリオン的過程と整合的か？
• RQ2 W49BからのVHE放射のスペクトル形状と放射度は、Fermi-LATが検出したGeV放射と一致するか？
• RQ3 星形成領域W49A方向のVHE放射の起源は何か？これは真の信号か、背景放射か？
• RQ4 W49BにおけるVHE放射の空間的形状は、電波シェルおよび分子ガス分布とどのように一致するか？
• RQ5 W49Bの高いGeV放射度（約10³⁶ erg s⁻¹）は、逆コンプトン散乱のみで説明可能か、それともバリオン的成分が必須か？

主な発見

• H.E.S.S.は、0.1°半径の開口部内に局在するW49BからのVHEガンマ線放射を8.8σの有意水準で検出した。
• W49Bの微分エネルギースペクトルは、ガンマ線指数Γ = 3.1 ± 0.3（統計）± 0.2（系誤差）および正規化N₀ = 2.3 ± 0.4（統計）± 0.6（系誤差）× 10⁻¹³ cm⁻² s⁻¹ TeV⁻¹のパワー則でよく記述される。
• 1 TeV以上の積分放射度は1.1 ± 0.3（統計）± 0.3（系誤差）× 10⁻¹³ cm⁻² s⁻¹であり、クレーマスネバラの約0.5%に相当する。
• VHE放射位置（l=43.258° ± 0.008°, b=-0.188° ± 0.01°）は、W49Bの最も明るい電波部分およびFermi-LATのGeV源位置と整合的である。
• GeV帯とTeV帯のスペクトルは非常に良好に一致しており、エネルギー範囲にわたり同一の放射メカニズムが存在することを支持する。
• 高いGeV放射度と高密度分子物質との相互作用を踏まえ、バリオン的起源が優位である。逆コンプトン散乱のみでは放射度を説明できない。