[論文レビュー] GRB Observations with the MAGIC Telescopes

M. Garczarczyk, M. Gaug+10 more|arXiv (Cornell University)|Jul 6, 2009

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 2被引用数 6

ひとこと要約

本論文では、ガンマ線バースト（GRBs）からの非常に高エネルギー（VHE）ガンマ線放射を観測したMAGIC-IおよびMAGIC-IIチェレンコフ望遠鏡の性能と結果が提示されている。急速な指向転換と25 GeVの低エネルギー閾値を用いて、23件のGRB観測において25 GeV以上の有意なVHE信号は検出されず、フラックスに対するきびしい上限が設定された。最も感度の高い検出では、80–125 GeV帯で1.12 × 10⁻¹⁰ erg·cm⁻²·s⁻¹に達した。

ABSTRACT

MAGIC is currently the most suitable instrument to perform observations of the prompt an early afterglow emission from Gamma Ray Bursts (GRBs) at energies above 25 GeV. The instrument is designed to have the lowest possible energy threshold and fastest reaction time to GRB Coordinates Network (GCN) alerts. The MAGIC-I telescope started to follow-up GCN alerts in the beginning of 2005. Since then, more than 50 GRB candidates were observed. Just now MAGIC-II, the second telescope has started to operate. Both telescopes together will have a factor of three better sensitivity.

研究の動機と目的

• 地上のチェレンコフ望遠鏡を用いて、25 GeV以上の非常に高エネルギー（VHE）ガンマ線放射をGRBsから検出すること。
• GCNネットワークからのGRBアラートに迅速に対応できるように、MAGIC望遠鏡の感度と応答速度を向上させること。
• 宇宙背景光（EBL）との相互作用によって引き起こされるVHE光子のスペクトルカットオフを研究し、GRB物理学および宇宙の進化に関する知見を得ること。
• アップグレードされたMAGIC-I望遠鏡の性能を検証し、MAGIC-II望遠鏡の導入段階を確認し、将来的なVHE GRB観測に備えること。

提案手法

• 世界最大のイメージング大気チェレンコフ望遠鏡（IACT）であるMAGIC-I望遠鏡を用い、234 m²の鏡面面積と高量子効率のフォトマルチプライヤーを備え、VHEガンマ線シャワーに伴うチェレンコフ光を検出した。
• エネルギー閾値を25 GeVに低下させるために、新しい「サムトリガーシステム」を導入し、VHEエネルギー帯でのカブール・プルサーの検出を可能にした。
• 迅速な指向転換（180°方位移動に20秒）と最適化されたトリガーサイステム／読み出しシステムを採用し、GCNアラートに迅速に対応し、初期のGRB放射を観測した。
• 23件のGRBイベントに対して標準的手法を適用し、エネルギーチャンネルに分けて解析し、80–125、125–175、175–300、300–1000 GeV帯で上限計算を実施した。
• 利用可能な場合、Fermi-LATの正確な座標を用いたが、一部の事例（例：GRB090323）では、観測期間終了後に座標が到着したため、バーストが視野外にあった。
• 標準的手法に従い、統計的上限計算を実施し、10⁻¹⁰ erg·cm⁻²·s⁻¹単位でフラックス上限を報告した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高い発光度とEBL吸収の可能性を考慮すると、MAGIC望遠鏡は25 GeV以上のVHEガンマ線放射をGRBsから検出可能か？
• RQ2 GRB080916CのようなGRBにおける高エネルギー放射のスペクトル的進化は、シンクロtronおよびSSC放射モデルの予測とどのように一致するか？
• RQ3 高赤方偏移GRBsからのVHE光子にEBLがどのようにスペクトルカットオフをもたらすか、MAGICはこの効果を測定可能か？
• RQ4 アップグレードされたステアリングおよびトリガーシステムは、GRBアラートへの迅速対応と感度向上にどの程度効果的か？
• RQ5 23件のGRBサンプルにおける25–1000 GeV範囲のVHE放射のフラックス上限は何か？

主な発見

• 解析した23件のGRB観測すべてにおいて、25 GeV以上の有意なVHEガンマ線放射は検出されず、複数のエネルギー領域で上限が設定された。
• 最も感度の高いフラックス上限は、GRB090102（T₀ + 1161 s から T₀ + 5181 s の間）で、80–125 GeV帯で2.30 × 10⁻¹⁰ erg·cm⁻²·s⁻¹であった。
• GRB080430では、80–125 GeV帯（T₀ + 16912 s から T₀ + 17968 s の間）で最高のフラックス上限が7.76 × 10⁻¹⁰ erg·cm⁻²·s⁻¹であった。
• MAGIC-I望遠鏡は、最近のアップグレードにより180°方位移動に20秒の指向転換時間を達成し、設計仕様を満たした。
• MAGIC-II望遠鏡は導入段階にあり、まもなくMAGIC-Iと連携して運用され、感度が3倍に向上する見込みである。
• GRB090323では、LATが数GeVまで放射を検出していたが、より正確な座標が到着したのはMAGIC-Iの観測終了後であったため、バーストは視野外にあった。