[論文レビュー] Looking for Gamma-ray Emission from TeV Binary Candidates with HAWC

S. BenZvi|arXiv (Cornell University)|Aug 14, 2015

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、高い稼働率と広視野を活用して、北半球におけるTeVバイナリ候補の偏りのない初のサーベイを提示する。周期的でかつフレアを示すガンマ線放射を検出する。高赤緯度源に対しては感度が限定的であるが、HAWCは2014年末のフレア時にLS I +61° 303を監視したが、指向性の低さのため有意な過剰放射は検出されなかった。これはHAWCが変動するガンマ線バイナリの長期モニタリングに十分な能力を有していることを示している。

ABSTRACT

The Milky Way contains hundreds of binary systems which are known to emit in radio and X-rays, but only a handful of binaries have been observed to produce very high-energy gamma rays. In addition, the emission mechanisms which produce the gamma rays in the few known sources are not well understood. To improve the statistics of binary sources in the TeV band, the High-Altitude Water Cherenkov Gamma-ray Observatory, or HAWC, has begun to carry out a simultaneous survey of TeV binary candidates in the Northern Hemisphere between 100 GeV and 100 TeV. HAWC is a surface array that records air showers from cosmic rays and gamma rays with a high uptime and wide field of view, making it well-suited to observe time-dependent emission from objects such as TeV binaries. We describe the sensitivity of HAWC to periodic emission from Galactic sources of gamma rays and present data from the first year of observations with the partially constructed observatory.

研究の動機と目的

• HAWCの広視野と高い稼働率を活用して、北半球におけるTeVバイナリ候補の偏りのない連続サーベイを実施すること。
• 銀河系バイナリ系からの周期的でかつフレアを示すガンマ線放射を検出すること、特にTeV放射が不明または弱いものに対して重点を置く。
• 現在5つの源しか知られていないTeVバイナリの統計的サンプルを拡大し、放射メカニズムの理解を深めること。
• HAWCオンラインフレアモニタを介して、フレアの即時追跡観測を可能にする。
• LS 5039（3.9日周期）やHESS J0632+057（315日周期）のようなバイナリからの周期的信号に対するHAWCの感度を評価すること。

提案手法

• HAWCは、300個の水チェレンコフ検出器の地上アレイを用い、宇宙線およびガンマ線の空気シャワーを記録する。各検出器には1200個のフォトマルチプライヤー管（PMT）が設置され、チェレンコフ光を捉える。
• イベント再構築では、PMTのヒットの時間的・空間的パターンを組み合わせ、シャワーの進行方向を特定し、トポロジカルカットを用いてガンマ線と核子的宇宙線を区別する。
• カット・アンド・カウント解析により、オフソースの背景計数をオンソースの計数から差し引いて、時間依存放射を同定する。残差計数は周期性の有無を分析する。
• 周期的変調の探索にはLomb-Scargle周期グラムを用い、5%のカブルクスフラックスを持つ源に対する感度を推定するために、シミュレーテッドデータを用いる。
• 積分フラックス光度曲線（1 TeV以上）を再構築するために、パラメトリックな最尤推定法を適用する。
• HAWCオンラインフレアモニタは、30個の銀河系TeVバイナリ候補のフレア活動を継続的に追跡し、IACTによる追跡観測をトリガーする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HAWCは、広視野と高い稼働率を活かして、TeVバイナリ候補からの周期的ガンマ線放射を検出できるか？
• RQ2 特に高赤緯度源を対象としたフレア放射に対するHAWCの感度はどの程度か？
• RQ3 LS 5039 や HESS J0632+057 のような既知のバイナリからの周期的信号をHAWCはどの程度正確に区別できるか？
• RQ4 HAWCは、候補源の偏りのない連続モニタリングにより、新しいTeVバイナリ系を同定できるか？
• RQ5 観測開始後1週間以内に、カブルクスフラックスの20%のフレアを検出する期待効率はどの程度か？

主な発見

• 2014年末の既知のフレア中に、LS I +61° 303 に対して有意な過剰放射や変動は検出されなかったが、主に高赤緯度での感度の低さが要因であった。
• HAWC-250の高赤緯度源に対する感度は、天頂付近の感度と比較して約2桁低い。このため、高赤緯度バイナリの検出が制限される。
• カブルクスフラックスの5%の源で4日周期の信号は、完全な検出器構成を仮定した場合、1年間の観測で5σの有意性で検出可能と予想される。
• カブルクスフラックスの20%のフレアは1週間以内に5σで検出可能であり、感度が向上すればフレア検出の可能性が非常に高い。
• 完全なHAWCアレイでは、初年度の稼働でLS 5039（3.9日周期）からの周期的放射が検出可能と予想される。
• HESS J0632+057は、好都合な赤緯度と硬いスペクトルを持つが、315日周期のため完全に特徴づけるには数年を要する。