[論文レビュー] Ground-based Gamma-Ray Observations of Pulsars and their Nebulae: Towards a New Order

O. C. de Jager, C. Venter|arXiv (Cornell University)|Nov 3, 2005

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、低磁場を有する若く急速に拡張するパルサー風ネbulae (PWN) が、CMBR光子を高エネルギー化することで検出可能なTeV光子を生成できるため、地上ベースの非常に高エネルギー (VHE) ガンマ線観測の最適な標的であると提唱している。主な貢献は、特に急速な拡張と低B場の条件下でPWNがVHEエネルギーで可視化可能になる条件を同定したことであり、今後の4世代目 telescope によるミリ秒パルサーの検出に意義を持つ。

ABSTRACT

The excellent sensitivity and high resolution capability of wide FoV ground-based imaging atmospheric Cerenkov telescopes allow us for the first time to resolve the morphological structures of pulsar wind nebulae (PWN) which are older and more extended than the Crab Nebula. VHE gamma-ray observations of such extended nebulae (with field strengths below ~ 20 micro Gauss) probe the electron component corresponding to the unseen extreme ultraviolet (EUV) synchrotron component, which measures electron injection from earlier evolutionary epochs. VHE observations of PWN therefore introduce a new window on PWN research. This review paper also identifies conditions for maximal VHE visbility of PWN. Regarding pulsar pulsed emission, it is becoming clear that the threshold energies of current telescopes are not sufficient to probe the pulsed gamma-ray component from canonical pulsars. Theoretical estimates of pulsed gamma-ray emission from millisecond pulsars seem to converge and it becomes clear that such detections with current 3rd generation telescopes will not be possible, unless the geometry is favourable.

研究の動機と目的

• パルサー風ネbulae (PWN) が非常に高エネルギー (VHE) ガンマ線波長で最大限に可視化される物理的条件を特定すること。
• 低磁場を有するネbulae において、相対論的電子が宇宙マイクロ波背景放射 (CMBR) 光子を逆コンプトン散乱 (IC) することでVHEガンマ線放射がどのように発生するかを理解すること。
• 現在および将来の望遠鏡を用いて、ミリ秒パルサー (MSPs) のパルス的VHEガンマ線放射による検出可能性を評価すること。
• 観測者および磁場傾斜角の関数として、MSPsにおける宇宙線 (CR) 発光のカットオフエネルギーをモデル化し、遮蔽および遮蔽なしの電場状態を区別すること。
• ネbulaの拡張と電子のシンクロtron寿命が、検出可能なIC放射を発生させるのに十分な長さでVHE放射電子を保持する役割を評価すること。

提案手法

• PWNの多波長モデリングを用い、シンクロtron自己コンプトン (SSC) およびCMBRへの逆コンプトン散乱を含めたVHEガンマ線放射をシミュレートする。
• 電子の生存時間の推定に、$ T_{\gamma} = 4.8\,\text{kyr} \cdot B_{-5}^{-2} E_{\rm TeV}^{-1/2} $ のシンクロtron寿命式を低B場PWNに適用する。
• 一般相対性理論的形式を用いて、パルサーの共回転フレームにおける電場をモデル化し、遮蔽ありと遮蔽なしのケースを区別する。
• 電場成分と対生成閾値を用いて、観測者角度 $\zeta$ および磁場傾斜角 $\chi$ の関数として宇宙線 (CR) のカットオフエネルギーを計算する。
• 既知のPWN（カブ、ベラ、3C 58、G0.9+0.1、PSR B1509-58）からの観測データと理論的予測を比較する。
• 3rd世代のシャンカー望遠鏡と、4th世代機器およびGLAST（現在のフェルミ）の予測を用いて検出可能性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 パルサー風ネbulae (PWN) が非常に高エネルギー (VHE) ガンマ線波長で最大限に可視化される条件は何か？
• RQ2 急速なネbula拡張は、VHE放射電子の生存にどのように影響を与え、CMBRへの逆コンプトン散乱がSSC放射を上回るメカニズムにどのように寄与するか？
• RQ3 ミリ秒パルサー (MSPs) の予想されるVHEガンマ線カットオフエネルギーは、観測者および磁場傾斜角の関数としてどのようになるか？
• RQ4 なぜ現在の3rd世代シャンカー望遠鏡では、幾何学的条件が有利でない限り、標準的パルサーおよびMSPsからのパルス的VHEガンマ線放射を検出することは困難なのか？
• RQ5 対生成による遮蔽効果がMSPsにおける電場およびCR放射にどのように影響を与え、検出可能性にどのような意味を持つのか？

主な発見

• 急速に拡張するPWNで、低磁場（約 $20\,\mu\text{G}$ 以下）の場合は、CMBRを逆コンプトン散乱して検出可能なTeVガンマ線を生成できるほど、VHE放射電子が十分に長期間生存する。
• カブネbulaは、通常の弱いVHE放射の傾向とは異なり、その異常に高いスピンダウンパワー（$\dot{E}/d^2 \sim 10^{38}\,\text{erg/s/kpc}^2$）のおかげで、急速なシンクロtron冷却を補っており、例外的である。
• $\dot{E}$ が低いPWNでは、VHE放射の主要メカニズムがSSCからCMBRへの逆コンプトン散乱、およびおそらくダストからの遠赤外線光子への散乱にシフトする。
• 理論的モデリングにより、ミリ秒パルサー (MSPs) は、視線角が磁場軸に近い（$\chi \lesssim 45^\circ$）かつ幾何学的条件が有利でない限り、現在の3rd世代望遠鏡ではパルス的VHEガンマ線放射で検出されにくいことが示された。
• 遮蔽なしのケース（例：PSR J0437-4715）では、$\chi \approx \zeta$ のとき、非対称な電場構造のため、最大で $< \sim 10\,\text{GeV}$ のCRカットオフエネルギーが得られる。
• 遮蔽ありのケース（例：PSR B1821-24）では、$\cos\chi$ に依存する電場のため、小角度 $\chi$ でより高いカットオフエネルギー（$< \sim 150\,\text{GeV}$）が得られるが、幾何学的条件が有利でない限り検出は依然として困難である。