[論文レビュー] Extragalactic source population studies at very high energies in the Cherenkov Telescope Array era

T. Hassan, A. Domínguez+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2017

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 17被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、Fermi-LAT 3FHLカタログからのスペクトル外挿を用いて、Cherenkov Telescope Array (CTA) による銀河間超高エネルギー (VHE) ソース（主にブレーザー）の検出可能性を予測している。CTA-N および CTA-S アレイを 5–20 時間の露出時間でシミュレートし、EBL減衰を考慮したスペクトルモデル（PL、PLE、BPL、LP）を適用することで、CTA が数百ものソースを検出すると予想される。これは現在の IACT の能力をはるかに超える VHE ソース集団の拡大を示しており、赤方偏移 z ∼1.5 の高赤方偏移ブレーザーの検出も可能となる。

ABSTRACT

The Cherenkov Telescope Array (CTA) is the next generation ground-based $\gamma$-ray observatory. It will provide an order of magnitude better sensitivity and an extended energy coverage, 20 GeV - 300 TeV, relative to current Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes (IACTs). IACTs, despite featuring an excellent sensitivity, are characterized by a limited field of view that makes the blind search of new sources very time inefficient. Fortunately, the $ extit{Fermi}$-LAT collaboration recently released a new catalog of 1,556 sources detected in the 10 GeV - 2 TeV range by the Large Area Telescope (LAT) in the first 7 years of its operation (the 3FHL catalog). This catalog is currently the most appropriate description of the sky that will be energetically accessible to CTA. Here, we discuss a detailed analysis of the extragalactic source population (mostly blazars) that will be studied in the near future by CTA. This analysis is based on simulations built from the expected array configurations and information reported in the 3FHL catalog. These results show the improvements that CTA will provide on the extragalactic TeV source population studies, which will be carried out by Key Science Projects as well as dedicated proposals.

研究の動機と目的

• 本稿の目的は、初期運用段階におけるCherenkov Telescope Array (CTA) が検出可能な銀河間超高エネルギー (VHE) ソース集団を予測することにある。
• 現在のイメージング大気チェレンコフ望遠鏡 (IACT) の感度と視野の制限により、盲検索が困難であるという課題に対処する。
• 研究は、1,556 個のソース（うち 79% が銀河間）を含む Fermi-LAT 3FHL カタログを、CTA のエネルギー範囲（20 GeV–300 TeV）のスカイモデルとして活用する。
• CTA の向上した感度と拡張されたエネルギー範囲が、微弱で持続的、および高赤方偏移のブレーザーの検出をどの程度向上させるかを定量化することを目的とする。
• ソースクラス（例：BL Lacs、FSRQs）ごとの検出可能ソース数の推定と、未知の赤方偏移によるスペクトル外挿の不確実性の影響を評価することを含む。

提案手法

• 分析は、1,556 個のソース（うち 1,231 個が銀河間）を含む 3FHL カタログを、CTA のエネルギー範囲のスカイモデルとして用いる。
• 3FHL カタログのスペクトルフラックスを、4 種類のモデル（累乗則（PL）、指数カットオフ付き累乗則（PLE）、折り返し累乗則（BPL）、対数放物線（LP））を用いて TeV エネルギー領域に外挿し、すべてに EBL 減衰を含める。
• 赤方偏移が不明なソースについては、そのソースクラスに応じて、BL Lacs、FSRQs、タイプ不明のブレーザー（BCUs）の既知の分布からランダムに赤方偏移をサンプリングする。
• CTA-N（ラ・パルマ）および CTA-S（パラナル）の両方について、5 時間および 20 時間の露出時間でシミュレート観測を実施し、5σ以上の有意性を仮定して検出可能性を計算する。
• 宇宙論的距離におけるγ線吸収を考慮するため、[4] の EBL 減衰モデルを適用する。
• 結果は、ハンマー＝アイトッフ図、フラックス–インデックス図、および異なるスペクトル外挿スキームにおける赤方偏移分布の形で提示される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3FHL カタログの銀河間ソースのうち、CTA-N および CTA-S が 5–20 時間の露出時間で検出可能となるのは何個か？
• RQ2 異なるスペクトル外挿モデル下でのソースクラス（例：BL Lacs、FSRQs、電波銀河）ごとの検出可能ソースの予想分布は？
• RQ3 特に高赤方偏移のソースにおいて、CTA が検出可能なのはどのソースか？また、検出可能なVHEソースの最大赤方偏移は？
• RQ4 CTA は、現在の IACT がまだ検出していない、微弱でスペクトルが硬いソース（3FHLのフラックス限界付近）をどの程度検出可能となるか？
• RQ5 赤方偏移とスペクトル形状の不確実性が、銀河間VHEソースの予測検出可能性に及ぼす影響はどの程度か？

主な発見

• PLE 外挿スキーム下で、CTA-S は 20 時間の観測で 344 個の銀河間ソースを検出すると予測される。CTA-N についても同様に 344 個が検出可能である。
• CTA-S では 5 時間の露出時間で BL Lacs を 208 個検出可能（うち 50 個は既に IACT で検出済み）、20 時間でタイプ不明のブレーザーを 129 個検出可能である。
• 5 時間の露出時間でも、3FHL のフラックス限界に達するソースが検出可能であるため、微弱でスペクトルが硬い新しいソース集団の検出が可能であることが示された。
• 高赤方偏移のブレーザー（z ∼1.5 まで）は、静止状態においても CTA で検出可能であり、特に PLE および PL 外挿モデル下で顕著である。
• CTA-N では FSRQ の検出数が 5 時間で 7 個から 20 時間で 13 個に増加し、CTA-S では 6 個から 10 個に増加する。これはこのクラスへの感度向上を示している。
• 星形成銀河および電波銀河は中程度の露出時間で検出可能であり、PLE モデル下で CTA-S が 20 時間で 2 個のソースを検出可能となる。