[論文レビュー] First Results of Eta Car Observations with H.E.S.S.II

E. Leser, S. Ohm+8 more|arXiv (Cornell University)|Aug 3, 2017

Astrophysical Phenomena and Observations被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、H.E.S.S. II望遠鏡アレイが、28メートルの中央望遠鏡を追加することでエネルギー閾値を約200 GeVまで低下させたことで、エータ・カービナエで最初の顕著な高エネルギーガンマ線放射の検出を報告している。13.6σの有意水準に達した。この検出は、300 GeVまで延びる高エネルギー成分の存在を確認し、衝突する恒星風における粒子加速と一致しており、大質量連星系における非熱的過程に関する重要な知見を提供する。

ABSTRACT

Eta Carinae (or Eta Car) is a colliding-wind binary that shows non-thermal emission from hard X-rays to high-energy $γ$-rays. The $γ$-ray spectrum exhibits two spectral components, where the high-energy component extends up to 300 GeV. Previous observations of Eta Carinae with the High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) resulted in upper limits. With the addition of the large 28-m central telescope to the H.E.S.S. array in 2012 the lower bound on the energy range has significantly been reduced. This lowers the energy threshold of the analysis compared to the published results due to the improved instrument sensitivity at energies below 400 GeV. Eta Carinae has been regularly observed in the following years with H.E.S.S. II. Here we report on the first results of Eta Carinae observations, which also cover the periastron passage in 2014 - the time of maximum $γ$-ray emission seen in GeV $γ$-rays with Fermi-LAT.

研究の動機と目的

• アップグレードされたH.E.S.S. IIアレイを用いて、低エネルギー域での感度が向上した状態で、エータ・カービナエからの高エネルギーガンマ線放射を検出すること。
• 特に2014年の近日点通過に近い100–300 GeVのエネルギー範囲におけるエータ・カービナエのスペクトル的性質を調査すること。
• カリナ星雲領域における強い不均一な夜空背景（NSB）が、チェレンコフ望遠鏡のデータに与える影響を評価すること。
• 現実的なNSB条件下で、独立した解析チェーンとモンテカルロシミュレーションを用いてガンマ線放射の検出を検証すること。
• フェルミ-LATのエネルギー範囲を超える最初の信頼できる高エネルギーガンマ線測定として、衝突する風を持つ連星系を確立すること。

提案手法

• 2012年に28メートルの直径を有する中央望遠鏡を追加したH.E.S.S. IIアレイにより、エネルギー閾値が470 GeVから約200 GeVに低下し、低エネルギーのガンマ線を検出可能になった。
• 2014年から2015年の間、25時間にわたる観測が実施され、エータ・カービナエの5.5年周期の軌道における近日点前後をカバーした。
• クリーニングアルゴリズムにより、ノイズの強いカメラ画素の10%が除外され、測定されたNSB率の3倍のカットを施すことで、残存NSB汚染を1.5%に低減した。
• シャワー像の均一性およびNSB分布に関するシステム的チェックが実施され、NSBの最大値はエータ・カービナエの南に見られた。
• 実際の観測条件、特に空間的に変化するNSB率を含めた状況下で、NSB効果をモデル化するためにモンテカルロシミュレーションが用いられた。
• モノスコピック（単一の28メートル望遠鏡）およびステレオスコピック（全5台の望遠鏡）データの両方に対して、独立した2つの解析チェーンを適用し、結果の信頼性を確保した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 H.E.S.S. IIアレイは、100–300 GeVのエネルギー範囲でエータ・カービナエからの顕著な高エネルギーガンマ線放射を検出できるか？
• RQ2 28メートルの望遠鏡の追加により、エータ・カービナエの検出におけるエネルギー閾値と感度はどのように向上したか？
• RQ3 強い不均一な夜空背景（NSB）は、エータ・カービナエからのチェレンコフ信号の検出にどの程度影響を及えるか？
• RQ4 観測されたガンマ線放射は、衝突する恒星風における粒子加速と一致するか？衝撃モデルの予測と整合的か？
• RQ5 フェルミ-LATが観測したGeV帯最大放射時である2014年の近日点通過付近で、エータ・カービナエのガンマ線放射はどのように変化するか？

主な発見

• H.E.S.S. IIは、エータ・カービナエからのガンマ線放射に対して13.6σの事前試験有意水準を達成し、非常に高エネルギー帯での最初の顕著な検出を記録した。
• エネルギー閾値は約200 GeVに低下し、以前のH.E.S.S.の470 GeVから60%の改善が達成された。
• 25時間の観測で合計1070件のガンマ線候補イベントが記録され、モノスコピックおよびステレオスコピックの両データセットに分散した。
• 夜空背景（NSB）は、エータ・カービナエ領域で平均の10倍高いことが判明し、特に源の南にNSBが最も強かった。
• システム的テストにより、データクリーニングと閾値処理の後、純粋なNSB光子の1.5%にまでNSB汚染が低減された。モンテカルロシミュレーションにより、この結果の信頼性が裏付けられた。
• 独立した2つの解析チェーンにより検出が確認され、観測信号の信頼性とエータ・カービナエとの空間的一致性が保証された。