[論文レビュー] Gamma-Ray Astronomy of Cosmic Rays

H. J. Voêlk|arXiv (Cornell University)|Feb 22, 2002

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 22被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、ガンマ線天文学が、銀河系宇宙線の起源やそのミルキーウェイにおける伝播という未解決の問題を解明するために不可欠であると主張している。特に、高エネルギーのガンマ線観測、とりわけH.E.S.S.大気チェレンコフ望遠鏡アレイを活用することで、宇宙線と星間ガス・放射場の相互作用から生じる二次的ガンマ線が、超新星残骸源や拡散的銀河ガンマ線背景に関する重要な手がかりを提供することを示している。H.E.S.S.は、テバ・エネルギー領域で、これまでの機器と比べて10–100倍高い感度を達成することが期待される。

ABSTRACT

Many of the basic problems in the astrophysics of charged Cosmic Rays remain on principle unresolved by in situ observations in the Solar System due to the chaotic nature of the propagation of these particles in Interstellar space. This concerns the existence and the nature of localized individual particle sources as well as the transport in the Galaxy and establishes the need for astronomical observations of secondary gamma-rays. The only exception may be the highest energy particles at energies around $10^{20}$ eV which possibly reach us on straight line orbits from their production sites. Recently such gamma-ray observations, both in space and on the ground, have made great progress even though the instrumental sensitivities are still low. It is argued that two basic questions, regarding first of all the Supernova Remnant source hypothesis and secondly the contributions to the diffuse gamma-ray background, have come close to an empirical resolution. Apart from motivations deriving from extragalactic astronomy this expectation is at the root of the construction of a new generation of high-sensitivity gamma-ray instruments. As a representative example the H.E.S.S. array of atmospheric Cherenkov telescopes is described.

研究の動機と目的

• 太陽系内での直接測定では、不規則な星間伝播のため解明できない、宇宙線源の性質や位置といった、宇宙線天文学における根本的未解決問題に取り組むこと。
• 超新星残骸が主な宇宙線加速源であるかを、そのガンマ線放射シグネチャーの分析によって調査すること。
• 特に予想より硬めのスペクトルと小さな半径勾配を示す、拡散的銀河ガンマ線背景の起源とスペクトル的性質を検討すること。これは標準的拡散モデルに挑戦するものである。
• 非線形的宇宙線駆動銀河風および浮上的脱出メカニズムを、観測されたガンマ線データと理論的予測を比較することで検証すること。
• 次世代ガンマ線機器の開発を促進すること。H.E.S.S.アレイを例に、主要な宇宙線問題の実証的解決に必要な感度を達成する。

提案手法

• 地上のアトモスフィア的チェレンコフ望遠鏡から得られる高エネルギーガンマ線観測を活用し、宇宙線と星間ガス・放射場の相互作用によって生成される二次的ガンマ線を検出すること。
• 120 mの正方形に配置された複数の13 m望遠鏡を用いたステレオ的画像技術を採用し、角度分解能およびエネルギー分解能を向上させるとともに、背景ノイズを低減すること。
• エネルギー閾値最適化（源検出用に50 GeV、分光測定用に100 GeV）と、高いダイナミックレンジ（100 GeV以上で10−12 erg/cm²/s、1 TeV以上で10−13 erg/cm²/s）を適用し、微弱なTeV源を検出すること。
• 過去のミッション（例：COMPTEL、EGRET、EASアレイ）のデータとH.E.S.S.のシミュレーションを統合し、感度と性能を予測する。クレーブ・ネビュラを標準キャンドルとして用いる。
• 画像的アトモスフィア的チェレンコフ技術（IACT）を用い、大気中で一次ガンマ線が引き起こす広大な空気シャワーから発生するチェレンコフ光を検出すること。
• 広い視野（5°）、多数のピクセル（980個のフォトマルチプライヤー管）、正確なタイミングを活用し、ガンマ線シャワーの幾何学的形状とエネルギーを再構築すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ガンマ線観測によって、超新星残骸仮説が銀河系宇宙線の主要な源であると解釈できる程度まで、その妥当性が解明可能か？
• RQ2 なぜ拡散的銀河ガンマ線背景は、予想よりも硬めのスペクトルと極めて小さな半径勾配を示すのか。これは宇宙線輸送モデルにどのような含意をもたらすのか？
• RQ3 太陽系近傍で測定された宇宙線の性質は、銀河系全体の宇宙線環境をどれほど代表しているのか？
• RQ4 非線形的フィードバック機構（例：宇宙線駆動銀河風）が、宇宙線およびガンマ線強度の半径勾配の抑制を説明できるか？
• RQ5 次世代地上型ガンマ線望遠鏡（例：H.E.S.S.）は、微弱なTeV源を検出するために、どの程度の感度と科学的能力を有するのか？

主な発見

• H.E.S.S.アレイは、50時間の観測後、100 GeV以上で約10−12 erg/(cm² s)、1 TeV以上で約10−13 erg/(cm² s)の感度に達すると予想され、クレーブ・ネビュラよりも約100倍微弱な輝度を持つ源の検出が可能になる。
• H.E.S.S.望遠鏡は、源検出用に約50 GeV、分光的および空間分解観測用に約100 GeVのエネルギー閾値を有し、角度分解能は0.1度、エネルギー分解能は10–20％である。
• 4台の13 m望遠鏡を120 mの正方形に配置したH.E.S.S.フェーズIシステムは、一致するステレオ的観測を可能にし、背景ノイズの低減と源の局所化を向上させることを目的として設計されている。
• ナミビアのガムスバーグ台地上、標高1800 mの地点は、優れた大気透過率と光学的品質を有しており、チェレンコフ天文学において世界有数の最適な地点の一つである。
• H.E.S.S.プロジェクトは、H.E.G.R.A. や C.A.T. といった初期のIACTシステムの自然な延長であり、感度向上のための高度な画像処理およびトリガー技術を統合している。
• 最初のH.E.S.S.望遠鏡は2002年初頭に稼働を開始し、フェーズIの完全なシステムは2003年までに完成予定であり、本プロジェクトは、宇宙線源および伝播に関する実証的解明を顕著に進展させるものと期待される。