[論文レビュー] Fermi results on gamma-ray binaries

A. B. Hill, R. Dubois+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 27, 2010

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 3被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、フェルミ-LATが銀河系のガンマ線連星3つ（LS I +61 303、LS 5039、Cyg X-3）の高エネルギーガンマ線放射を決定的な検出を行い、軌道周期の変調とスペクトルに予期しない指数関数的カットオフを明らかにした。これらの発見は、既存の放射メカニズムモデルに挑戦し、一部のケースでは磁気圏起源を示唆しており、コンパクト天体の性質を特定するためのパルス検出の必要性を強調している。

ABSTRACT

The past decade has presented a revolution in the field of observational high energy gamma-ray astrophysics with the advent of a new generation in ground-based TeV telescopes and subsequent GeV space telescopes. The Fermi Large Area Telescope (LAT) was launched in August 2008 and has offered unprecedented sensitivity and survey capabilities in the 30 MeV - 300 GeV energy range. Presented here are the results from the first two years of LAT observations of galactic binary systems including the definitive detections of LSI+61 303, LS 5039 and Cyg X-3. These sources and others are discussed in context with their known TeV and X-ray properties. The LAT data provides new understandings and pose new questions about the nature of these objects. The identification of an exponential cutoff in the spectra of both LSI+61 303 and LS 5039 was unexpected and poses challenges for explaining the emission mechanisms and processes which are in operation within these systems.

研究の動機と目的

• フェルミ-LATのデータを用いて、銀河系ガンマ線連星からの高エネルギーガンマ線放射の確認と特徴付けを行う。
• これらの源のスペクトル的および時間的性質、特に軌道周期変調の有無を調査する。
• LS I +61 303およびLS 5039の予期しないスペクトルカットオフが放射メカニズムに与える影響を検討する。
• GeV帯放射が、ガンマ線パルサーに類似したスペクトルから示唆されるように、磁気圏プロセスに起因する可能性を検証する。
• PSR B1259-63の近点通過に伴う、コンパクト天体からのパルス放射の検出可能性を評価する。

提案手法

• 30 MeV〜300 GeVのエネルギー範囲で2年間のフェルミ-LATデータを用い、連星系からのガンマ線放射を分析した。
• 光度曲線における軌道周期変調の検出と確認に、Lomb-Scargle周期解析を適用し、信号と背景を区別した。
• 観測スペクトルをパワー則および指数関数的カットオフを伴うパワー則モデルにフィットさせ、スペクトルエネルギー分布を特徴付けた。
• MAGIC、VERITAS、H.E.S.S.その他の観測所からの既存のTeVおよびX線データと、LATの結果を照合した。
• モンテカルロシミュレーションを用いて、軌道周期の不確実性を推定し、周期性の有意性を検証した。
• 既知のガンマ線パルサーのスペクトル形状と比較することで、放射メカニズムの推定を試みた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フェルミ-LATが明らかにしたLS I +61 303、LS 5039、Cyg X-3における高エネルギーガンマ線放射の性質は何か？
• RQ2 これらの連星におけるGeV帯のフラックス変調は、既知のTeVおよびX線の変動とどのように比較できるか？
• RQ3 なぜLS I +61 303およびLS 5039のスペクトルは約2.5 GeVで予期しない指数関数的カットオフを示すのか？
• RQ4 これらの連星からのGeV帯放射が、ガンマ線パルサーと同様に磁気圏プロセスに起因する可能性はあり得るか？
• RQ5 フェルミ-LATでこれらのシステム内のコンパクト天体からのパルス放射を検出する可能性はどの程度か？

主な発見

• フェルミ-LATは、LS I +61 303、LS 5039、Cyg X-3をGeVエネルギー範囲で決定的に検出し、これらが高エネルギーガンマ線連星としての地位を確認した。
• LS I +61 303およびLS 5039のGeV帯フラックスは、TeV帯フラックスと反比例関係にあり、近点通過付近でピークを示した。
• LS I +61 303およびLS 5039のスペクトルは、約2.5 GeVで指数関数的カットオフを示しており、このような系では予想されていなかった特徴である。
• これらの連星のスペクトル形状はガンマ線パルサーに類似しており、磁気圏放射起源の可能性を示唆している。
• GeV帯での軌道周期変調が明確に検出され、Cyg X-3が一時的ガンマ線放射源であることが確認され、放射領域が限界を持つことが示された。
• PSR B1259-63からはフェルミ-LATでパルス放射は検出されなかったが、2010年の近点通過が磁気圏放射モデルの検証に重要な機会を提供している。