[論文レビュー] HAWC Search for High-Mass Microquasars

HAWC Collaboration, A. Albert+88 more|arXiv (Cornell University)|Jan 21, 2021

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 55被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、High Altitude Water Cherenkov (HAWC) 觀測所を用いて、4つの高質量マイクロクェーサー（HMMQ）：LS 5039、Cygnus X-1、Cygnus X-3、SS 433 からの非常に高エネルギー（VHE）ガンマ線放射を探索した。顕著な検出は得られなかったが、分析により10 TeV以上のVHE放射に対して、これまでで最も厳しい上限が設定された。2つの物理的モデルに基づくスタッキング解析を通じて、ガンマ線放射効率（ϵγ < 5.4 × 10⁻⁶）が強く制約され、マイクロクェーサーの噴流に強い磁場（>20 G）が存在することを示唆し、MeV帯放射を説明するシンクロトロンモデルに反する結果となった。

ABSTRACT

Microquasars with high-mass companion stars are promising very-high-energy (VHE; 0.1-100 TeV) gamma-ray emitters, but their behaviors above 10 TeV are poorly known. Using the High Altitude Water Cherenkov (HAWC) observatory, we search for excess gamma-ray emission coincident with the positions of known high-mass microquasars (HMMQs). No significant emission is observed for LS 5039, Cygnus X-1, Cygnus X-3, and SS 433 with 1,523 days of HAWC data. We set the most stringent limit above 10 TeV obtained to date on each individual source. Under the assumption that HMMQs produce gamma rays via a common mechanism, we have performed source-stacking searches, considering two different scenarios: I) gamma-ray luminosity is a fraction $\epsilon_\gamma$ of the microquasar jet luminosity, and II) very-high-energy gamma rays are produced by relativistic electrons up-scattering the radiation field of the companion star in a magnetic field $B$. We obtain $\epsilon_\gamma < 5.4 imes 10^{-6}$ for scenario I, which tightly constrains models that suggest observable high-energy neutrino emission by HMMQs. In the case of scenario II, the non-detection of VHE gamma rays yields a strong magnetic field, which challenges synchrotron radiation as the dominant mechanism of the microquasar emission between 10 keV and 10 MeV.

研究の動機と目的

• HAWCデータを用いて、既知の高質量マイクロクェーサー（HMMQ）からの非常に高エネルギー（VHE；>10 TeV）ガンマ線放射を探索すること。
• HMMQ集団全体に共通の放射メカニズムが存在すると仮定した場合のガンマ線放射効率の制約。
• マイクロクェーサーのジェット内での逆コンプトン散乱およびシンクロトロン放射によるVHEガンマ線生成モデルの検証。
• 観測されたMeV帯とVHE帯のガンマ線放射の間隙が、HMMQの普遍的特徴であるかどうかの調査。
• γγ対生成吸収および相対論的ビーム効果が推定される放射特性に与える影響の評価。

提案手法

• 分析には1,523日分のHAWCデータを用い、LS 5039、Cygnus X-1、Cygnus X-3、SS 433 の4つのHMMQの位置と一致するガンマ線過剰放射の有無を調査した。
• 各源について、パワーロウ法スペクトルを仮定して、尤度に基づく統計的手法を用いてVHE放射の上限を導出した。
• 弱い共通放射を検出する感度を高めるために、4つのHMMQの尤度プロファイルを統合するソーススタッキング手法を適用した。
• スタッキングに用いられた2つの物理的モデルは以下の通り：(I) ジェット放射の割合ϵγとしてのガンマ線ラディアンス、(II) 磁場B内での相対論的電子が同伴星の放射を逆コンプトン散乱でエネルギーを上昇させることによる放射。
• モデル予測の放射が観測上限を下回るようにするため、標準的な連星幾何学的構造を仮定して磁場強度Bを制約した。
• 星の光子場による潜在的なγγ対生成吸収を考慮し、LS 5039ではηγγ ≈ 0.1–0.4の減衰係数を推定し、上限をそれに応じて調整した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 10 TeV以上のエネルギーで、高質量マイクロクェーサーからのVHEガンマ線放射は検出可能か？
• RQ2 VHE光子が共通のメカニズムで生成されるものと仮定した場合、HMMQの固有ガンマ線放射効率（ϵγ）の上限は何か？
• RQ3 VHE放射の欠如は、10 keV〜10 MeV帯でシンクロトロン放射を抑制する強い磁場によるものと説明できるか？
• RQ4 星の放射場によるγγ吸収は、推定される固有放射量および磁場制約にどのように影響するか？
• RQ5 HAWCデータには、軌道運動に一致するVHE放射の周期的変調の兆候があるか？

主な発見

• 1,523日分のHAWCデータにおいて、LS 5039、Cygnus X-1、Cygnus X-3、SS 433 からの顕著なVHEガンマ線放射は検出されなかった。
• 本研究では、個々のHMMQからの10 TeV以上のVHEガンマ線放射に対して、これまでで最も厳しい上限が設定された。
• VHE放射がジェット放射の割合ϵγであると仮定した場合、ϵγ < 5.4 × 10⁻⁶ と制約された。これは、高エネルギーニュートリノ放射が観測可能であると予測するモデルに対する制約を著しく厳しくした。
• 逆コンプトンモデルでは、非検出結果から、相対論的噴流内にB > 20 Gの磁場が存在すると示唆された。これは、10 keV〜10 MeV帯でシンクロトロン放射が支配的であるモデルに反する。
• HAWCデータには、VHE放射の周期的変調の兆候は認められず、1日スケールでの軌道的変調は検出されなかった。
• γγ吸収は固有放射を約10倍まで低下させる可能性があると推定されたが、それでも調整後の磁場制約は依然として強く、MeV帯でのシンクロトロン放射が支配的である可能性は低いと示唆された。