[論文レビュー] Implications on the X-ray emission of evolved pulsar wind nebulae based on VHE gamma-ray observations

M. Mayer, J. Brucker+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 7, 2012

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、非常に高エネルギー（VHE）ガンマ線観測に基づき、進化したパルサー風状 Nebula（PWN）のX線放射率を予測する時間に依存するレプトン的モデルを開発する。VHEデータにモデルパラメータをフィットさせることで、進化段階の異なる特定済みPWNの全波長帯放射を成功裏に再現し、未特定のVHE源のX線対応物の検出における予測能力を示している。

ABSTRACT

Energetic pulsars power winds of relativistic leptons which produce photon nebulae (so-called pulsar wind nebulae, PWNe) detectable across the electromagnetic spectrum up to energies of several TeV. The spectral energy distribution has a double-humped structure: the first hump lies in the X-ray regime, the second in the gamma-ray range. The X-ray emission is generally understood as synchrotron radiation by highly energetic electrons, the gamma-ray emission as Inverse Compton scattering of energetic electrons with ambient photon fields. The evolution of the spectral energy distribution is influenced by the time-dependent spin-down of the pulsar and the decrease of the magnetic field strength with time. Thus, the present spectral appearance of a PWN depends on the age of the pulsar: while young PWNe are bright in X-rays and gamma-rays, the X-ray emission of evolved PWNe is suppressed. Hence, evolved PWNe may offer an explanation of the nature of some of the unidentified VHE gamma-ray sources not yet associated with a counterpart in other high-energy ranges. The purpose of this work is to develop a model which allows to calculate the expected X-ray fluxes of unidentified VHE gamma-ray sources considered to be PWN candidates. Such an estimate helps to evaluate the prospects of detecting the X-ray signal in deep observations with current X-ray observatories in future studies. We present a time-dependent leptonic model which predicts the broad-band emission of a PWN according to the characteristics of its pulsar. The values of the free parameters of the model are determined by a fit to observational VHE gamma-ray data. For a sample of representative PWNe, the resulting model predictions in the X-ray and gamma-ray range are compared to observations. The comparison shows that the high-energy emission of identified PWNe from different states of evolution is predicted correctly by the model.

研究の動機と目的

• 時間に依存するパルサーの回転減速と磁場の減衰を考慮した、進化したパルサー風状 Nebula（PWN）の全波長帯放射をモデル化すること。
• 未特定のVHEガンマ線源が進化したPWNであると想定した場合のX線放射率を予測し、X線追従観測の対象とすること。
• 現在のX線望遠鏡の感度を用いて、これらの源からのX線信号の検出可能性を理論的放射率推定を通じて評価すること。
• 異なる進化段階にある既知のPWNの観測X線およびガンマ線放射とモデル予測を比較することで、モデルの正確性を検証すること。
• 未特定のVHEガンマ線源に対するパルサー風状 Nebula 偽説を評価するためのフレームワークを提供すること。

提案手法

• 相対論的電子のエネルギー分布およびその放射を模擬するため、時間に依存するレプトン的モデルを構築する。
• スペクトルの進化の主要因として、パルサーの回転減速の時間的変化と磁場強度の低下をモデルに組み込む。
• 電子の注入率、磁場強度、電子エネルギー分布などの自由パラメータを、観測されたVHEガンマ線スペクトルにフィットさせることで制約を加える。
• X線バンドにおけるシンクロtron放射とガンマ線バンドにおける逆運動量散乱放射を、標準的な放射メカニズムを用いて計算する。
• X線およびガンマ線放射率のモデル予測を、特定済みPWNからの観測データと比較し、モデルの正確性を検証する。
• モデルの妥当性を検証するため、異なる進化段階にある代表的なPWNサンプルにモデルを適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 時間に依存するレプトン的モデルは、VHEガンマ線データのみを用いて、進化したPWNのX線放射を正確に予測できるか？
• RQ2 変化する回転減速の時間的変化と低下する磁場強度は、時間の経過とともにPWNのスペクトルエネルギー分布にどのように影響を与えるか？
• RQ3 モデルは、さまざまな進化段階にある特定済みPWNの観測された全波長帯放射（X線およびガンマ線）をどの程度再現できるか？
• RQ4 未特定のVHEガンマ線源が実際に進化したPWNであると仮定した場合、予想されるX線放射率はどの程度であり、現在のX線望遠鏡で検出可能か？
• RQ5 モデルは、未特定のVHE源のX線対応物を特定する手がかりを、放射率の予測を通じて提供できるか？

主な発見

• 時間に依存するレプトン的モデルは、異なる進化段階にある特定済みPWNの全波長帯放射を成功裏に再現した。
• モデルは、電子エネルギーと磁場強度の低下に起因するX線放射の抑制を予測しており、観測傾向と整合的である。
• 進化したPWN候補のX線放射率は、現在のX線望遠鏡の感度限界内にあり、深宇宙観測の対象として実現可能である。
• VHEガンマ線データに基づくモデルのパrameter化は、電子注入および磁場の進化に関する一貫性があり、物理的に妥当な値を示している。
• モデル予測と観測結果の比較から、PWNのスペクトルエネルギー分布がパルサーの回転減速および磁場の減衰に従って予想通りに進化することが確認された。
• モデルは、未特定のVHEガンマ線源のX線放射率を信頼性高く推定するフレームワークを提供し、そのパルサー風状 Nebula 起源の同定可能性を高めた。