[論文レビュー] Gamma-ray binaries as non-accreting pulsar systems

D. F. Torres|arXiv (Cornell University)|Aug 3, 2010

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 3被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、ガンマ線連星LS 5039およびLS I +61 303が、相対論的粒子加速がプルサーフィールド領域で発生する非降着パルサー系として最も適切に説明されると提案している。このモデルでは、プルサーフィールド領域における相対論的粒子加速がGeVおよびTeV放射を生じるとする。本研究では、2成分モデル（パルサー磁気圏放射＋風衝撃放射）が、GeVおよびTeV放射の軌道周期的変動を説明できることを示しており、現在の観測データは降着モデルよりもこの解釈を支持している。

ABSTRACT

The gamma-ray binaries LS 5039 and LS I +61 303 have been detected by Cerenkov telescopes at TeV energies, exhibiting periodic behavior correlated with the orbital period. These gamma-ray binary systems have also been recently detected by the Fermi Gamma-ray Telescope at GeV energies, and combination of GeV and TeV observations are providing both, expected and surprising results. We summarize these results, also considering the multi-frequency scenario, from the perspective of pulsar systems. We discuss similarities and differences of models in which pulsar wind/star wind shocks, or pulsar wind zone processes lead to particles accelerated enough to emit TeV photons. We discuss in detail the caveats of the current observations for detecting either accretion lines or pulsations from these objects. We also comment on the possibility for understanding the GeV to TeV emission from these binaries with a 2-components contribution to their spectrum. We show that it would be possible to accommodate both, normal pulsar emission and GeV / TeV fluxes that vary with orbital phase. We point out several aspects of this idea that are subject to test with data being currently taken.

研究の動機と目的

• ガンマ線連星の代替モデルとして非降着パルサー系が有効であるかを評価すること。
• 観測されたGeVおよびTeV放射の変動が、パルサーフィールド領域（PWZ）プロセスおよび磁気圏放射によって説明可能かどうかを評価すること。
• 2成分スペクトルモデル（パルサー＋風衝撃）が、軌道位相にわたる多波長観測と整合するかを検証すること。
• パルサー仮説を確認または否定する手がかり（例：パルス信号や降着線）を同定すること。
• 将来のCTAおよびニュートリノ検出器による観測を支援し、これらの系における放射メカニズムを制約すること。

提案手法

• Fermi-LATおよび地上のチェレンコフ望遠鏡（VERITAS、MAGIC、H.E.S.S.）を用いて、LS 5039およびLS I +61 303のGeVからTeVエネルギー領域における多波長スペクトルエネルギー分布（SED）を分析。
• 相対論的風衝撃における粒子加速を仮定し、磁気双極子を持つ中性子星を想定して、パルサーフィールド領域（PWZ）モデルを適用しTeV放射を説明。
• 2成分スペクトルモデルを構築：(1) パルサーマグネトスフィア放射（MeVからGeV帯への外挿）、(2) 風衝撃放射（エネルギー依存の粒子加速および冷却を含む）。
• 径速度測定から得られる質量関数を用いて、コンパクト天体の質量を制約し、軌道傾きi > 25°の条件下で中性子星が観測された軌道パラメータと整合することを示した。
• INTEGRALのハードX線上限値（特に上合 conjunctio 付近）とモデル予測を比較し、パルサーに類似したハードX線スペクトルと整合することを確認。
• 観測感度の限界やパルス位相の平均化のため、検出不能なパルス信号や降着線の欠如がパルサーモデルを否定する決定的証拠とはならないと評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LS 5039およびLS I +61 303におけるGeVおよびTeV放射の軌道周期的変動は、2成分放射モデル（非降着パルサー系＋風衝撃）によって説明可能か？
• RQ2 GeVおよびTeV帯域における観測スペクトルエネルギー分布は、パルサーフィールド領域（PWZ）モデルと磁気圏放射成分と整合的か？
• RQ3 現在のハードX線観測（例：INTEGRAL）は、これらの系にパルサーが存在するかにどのような制約を課すか？
• RQ4 観測感度の限界を考慮すると、検出不能なパルス信号や降着線の欠如は、パルサー仮説と矛盾するか？
• RQ5 将来のCTAやIceCubeなどの観測機器は、これらの系におけるハドロン的・レプトン的放射メカニズムの区別にどのように貢献するか？

主な発見

• 2成分モデル（パルサーマグネトスフィア放射＋風衝撃放射）は、LS 5039およびLS I +61 303における観測されたGeVおよびTeV放射の軌道周期的変動をうまく再現した。
• MeVからGeV帯への外挿されたパルサーパワー spectrum は、特に上合 conjunctio 付近でINTEGRALのハードX線上限値と整合的であり、パルサー起源を支持する。
• LS 5039およびLS I +61 303の質量関数値（約0.01 M⊙）は、軌道傾きが25°を超える場合、中性子星と整合的であり、パルサーモデルが妥当であることを示している。
• 現在のデータではパルサー仮説が排除されない。パルス信号や降着線が検出されないのは、観測限界によるものであり、物理的に不可能であるとは限らない。
• モデルは、LS I +61 303におけるGeVとTeV放射の反比例関係（特定の軌道位相でTeV放射が低下するがGeV放射は依然として強い）を説明できる。
• 将来のCTAおよびニュートリノ検出器（例：IceCube）による観測が、放射のハドロン的・レプトン的性質の区別を明確にし、PWZモデルを制約するために不可欠となる。