[論文レビュー] Gamma-ray and X-ray Properties of Pulsar Wind Nebulae and Unidentified Galactic TeV Sources

Oleg Kargaltsev, Blagoy Rangelov+1 more|arXiv (Cornell University)|May 12, 2013

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用数 24

ひとこと要約

この論文は、パルサー風線状星雲（PWN）および未同定のTeV源を焦点として、銀河系内の非常に高エネルギー（VHE）ガンマ線源の多波長的性質をレビューする。X線およびTeV放射を分析することで、パルサーとVHE源との関連を評価し、PWNが同定済みのVHE源を支配しているものの、多くの源が関連付けられていない、あるいは「ダーク」（X線や電波の対応源がない）状態であることを強調している。これは、低エネルギー光子の逆コンプトン散乱によって駆動される、古くなったPWNの可能性を示唆している。

ABSTRACT

We review properties of Galactic VHE sources detected at TeV energies. The number of associations between the VHE sources and pulsars has grown in recent years, making pulsar-wind nebulae the dominant population, although there is still a substantial number of VHE sources which remain to be identified. Among the latter there are several "dark" sources which do not have plausible counterparts at any other wavelengths. In this review we compile and compare the TeV and X-ray properties of pulsar wind nebulae (PWNe), PWN candidates, and unidentified TeV sources.

研究の動機と目的

• パルサー風線状星雲（PWN）、PWN候補、および未同定の銀河系TeV源のTeVおよびX線特性を収集・比較すること。
• 特にX線対応源が弱いか存在しない場合の、VHE源とパルサーとの関連を評価すること。
• 他の波長で検出不能な対応源を持つ「ダーク」VHE源の性質を、多波長的特性の分析により調査すること。
• 古くなった、低エネルギー電子集団が関与するリリーフPWNにおける逆コンプトン散乱（ICS）がTeV放射をどのように生成するかを評価すること。
• 拡張したPWNにおけるTeV放射を発する電子の効率および冷却 timescale が、コンパクトなPWNにおけるX線放射を発する電子と比べてどのように異なるかを定量化すること。

提案手法

• H.E.S.S.、VERITAS、MAGIC、MilagroのTeV観測所およびChandra、XMM-NewtonのX線観測から得られた観測データの収集。
• 同期放射および逆コンプトン（ICS）放射モデルを用いて、PWN内の電子エネルギー、磁場、および放射エネルギーの関係を記述：$E_{\rm syn} \sim 4(E_e/100\,{\rm TeV})^2(B/10^{-5}\,{ \rm G})\,{\rm keV}$ および $E_{\rm ICS} \sim 1(E_e/20\,{\rm TeV})^2(\epsilon/6\times 10^{-4}\,{\rm eV})\,{\rm TeV}$。
• 電子冷却 timescale の計算：X線に対して $\tau_X \approx 1.2 B_{-5}^{-3/2}(E_{\rm syn}/1\,{\rm keV})^{-1/2}\,{\rm kyr}$、TeV放射に対して $\tau_\gamma \approx 100(1+0.144B_{-6}^2)^{-1}(E_{\rm ICS}/1\,{\rm TeV})^{-1/2}\,{\rm kyr}$。
• 関連性の評価のため、X線およびTeVの全放射度（$L_X$、$L_\gamma$）、スペクトル指数（$\Gamma_X$、$\Gamma_\gamma$）、既知のパルサーおよび2FGL源からの角度的分離を比較。
• X線検出状態およびパルサーまたは超新星残骸（SNR）からの近接性に基づき、源をPWN候補、未同定、または「ダーク」と分類。
• ICS冷却時間推定において、トムソン散乱近似を用い、クライン＝ニシナ効果の補正を施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銀河系VHE源の何パーセントがパルサー風線状星雲（PWN）に関連しているか。また、それらのX線およびTeV特性はどのように比較されるか？
• RQ2 一部のVHE源が既知のパルサーやX線対応源と関連付けられていないのはなぜか。その放射を説明する物理的メカニズムは何か？
• RQ3 PWNにおける相対論的電子のX線とTeV放射の冷却 timescale にどのような違いがあるか。これは、放射体の年齢および歴史にどのような含意をもたらすか？
• RQ4 周囲の光子（例えば、CMB、赤外線、星光）の逆コンプトン散乱が、X線が弱いか存在しないPWNからのTeV放射を説明できるか？
• RQ5 「ダーク」VHE源の特徴は何か。X線、電波、TeV特性の観点から、既知のPWN候補とはどのように異なるか？

主な発見

• 全90個程度の銀河系VHE源のうち、28個が明確にPWNとして同定され、10個が殻状のSNR、5個がHMXBとして同定され、合計で48％を占める。
• 既知の91個のPWNおよびPWN候補のうち、52個がVHE関連または可能性のあるVHE対応源を示しており、強いが完全ではない相関関係が示唆される。
• ChandraによるX線観測で約70個のPWNが検出されたが、多くの源で非対称な形態や弱いリリーフ成分が観測され、過去に非一様な衝撃相互作用があった可能性を示唆している。
• 古くなったPWNにおける高エネルギー電子からのTeV放射は、X線シンクロtron放射が検出不能であっても、低エネルギー光子の逆コンプトン散乱によって生成可能である。
• TeV放射を発する電子の冷却時間（$\tau_\gamma \approx 100\,{\rm kyr}$）は、X線放射を発する電子の冷却時間（$\tau_X \approx 1.2\,{\rm kyr}$）よりも著しく長く、TeV放射が時間経過に伴う累積的なパワーダウンエネルギー損失を反映している可能性がある。
• リリーフPWNでは、$\dot{E}$ が過去に大きかったため、$\eta_\gamma = L_\gamma / \dot{E}$ の効率は高く、現在のX線放射度が低くても成立する。