[論文レビュー] Monitoring TeV blazars with HAWC

R. Lauer, Patrick Younk|arXiv (Cornell University)|Aug 18, 2015

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 14被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、2013年6月から2014年7月にかけて部分アレイを用いてTeVブレーザー、マークリアン421および501をモニタリングしたHAWC観測所の初成果を提示する。約90%のデューティーサイクルを達成したHAWCは、56の時間チャンクにわたり週単位の放射線フラックス測定を実施し、X線フレアと一致する顕著なガンマ線変動を検出。これは、水チェレンコフ検出器がVHEブレーザーの偏りのない長期モニタリングに適していることを示している。

ABSTRACT

The recently completed High Altitude Water Cherenkov (HAWC) gamma-ray observatory has been taking data with a partial array for more than one year and is now operating with >95% duty cycle in its full configuration. With an instantaneous field of view of 2 sr, two-thirds of the sky is surveyed every day at gamma-ray energies between approximately 100 GeV and 100 TeV. Any source location in the field of view can be monitored each day, with an exposure of up to $\sim$ 6 hours. These unprecedented observational capabilities allow us to continuously scan the highly variable extra-galactic gamma-ray sky. By monitoring the flaring behavior of Active Galactic Nuclei we aim to significantly increase the observational data base for characterizing particle acceleration mechanisms in these sources and for studying cosmological properties like the extra-galactic background light. In this work we present first studies of data taken between June 2013 and July 2014 with a partial array configuration. Flux light curves, binned in week-long intervals, for the TeV-emitting blazars Markarian 421 and 501 are discussed with respect to indications of flaring states and we highlight coincident multi-wavelength observations. Results for both sources show indications of gamma-ray flare observations and demonstrate that a water Cherenkov detector can monitor TeV-scale variability of extra-galactic sources on weekly time scales. The analysis methods presented here can provide daily flux measurements with a minimum time interval of one transit and will be applied to new data from the completed HAWC array for monitoring of blazars and other transients.

研究の動機と目的

• 高デューティーサイクルのガンマ線観測所を用いて、極めて変動が激しいTeVブレーザーの偏りのない長期モニタリングを可能にすること。
• フレア活動の連続的モニタリングを通じて、ブレーザー内の粒子加速メカニズムを同定すること。
• VHEガンマ線観測を用いて、銀河間背景光や銀河間磁場といった宇宙論的性質を研究すること。
• 水チェレンコフ検出器を用いた週単位のフラックス測定の実現可能性を示すこと。
• 完成したHAWCアレイを用いた将来の高感度のブレーザーおよびその他のトランジット源のモニタリングの基盤を提供すること。

提案手法

• HAWCは標高4,100 mの位置に300個の水チェレンコフ検出器を設置し、TeVガンマ線が誘発する広大な空気シャワーに由来するチェレンコフ光を検出する。
• イベントはPMT信号の振幅と到着時刻を用いて再構築され、シャワーの進行方向と大きさが決定され、核子のバックグラウンドを低減するためのカットが適用される。
• 尤度に基づく解析手法により、56の時間チャンクにわたり週単位のフラックス測定が計算され、各イベントの有効なPMT割合に基づいたチャンク化が行われる。
• フラックス光曲線は、固定スペクトル指数s=2.8およびカットオフなし（c=∞）を仮定し、典型的なVHE源の挙動を想定して、マークリアン421および501に対して作成された。
• 最小統合スケールとしてトランジットベースの時間間隔が使用され、天の赤緯に応じた仰角依存性が簡略化された。
• Swift/BAT、XRT、FACT、H.E.S.S.からの同時多波長データが、HAWCのフラックス測定を文脈づけるために用いられた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HAWCのような水チェレンコフ検出器は、高デューティーサイクルを維持しながら、TeVブレーザーの週単位のフラックス変動を効果的にモニタリングできるか？
• RQ2 HAWCで観測されたMrk 421およびMrk 501のフラックス増加は、他の機器で観測された既知のX線フレアと一致するか？
• RQ3 観測されたHAWCのフラックス変動は統計的に有意なものであり、ランダムな揺らぎによるものではないか？
• RQ4 HAWCは、週単位のチャンクに平均化された結果として、短時間スケールのフレア（例：時間単位）を検出できるか、その統合時間窓に起因するか？
• RQ5 TeVエネルギーに限局したフレア（低エネルギー放射と相関がない）を検出する可能性として、HAWCはどのような潜在的能力を有するか？

主な発見

• HAWCは2013年7月の1週間にわたり、MJD 56495に観測されたハードX線フレアと一致する顕著なフラックス増加をマークリアン421で検出した。
• 56の時間チャンクを考慮した場合、最高のHAWCフラックス測定値が平均フラックスより統計的ゆらぎによるものである確率は1.9×10⁻⁴（3.7σの有意水準）であった。
• FACTおよびH.E.S.S.がMJD 56832に観測した既知の時間スケールフレア（1時間程度）の間、HAWCデータでは顕著なフラックス増加は観測されなかった。これは週単位の平均化と観測時間の重複がないことが主な要因とされる。
• 両方のブレーザー（Mrk 421およびMrk 501）のフラックス光曲線は、週単位のスケールでの明確な変動を示しており、HAWCが長期モニタリングに適していることを確認した。
• 本分析により、水チェレンコフ検出器がVHEブレーザー変動の偏りのない高デューティーサイクルでのモニタリングを可能にすることが示された。これにより、将来的なフレア頻度やオーファンフレアの研究が可能になる。
• 本結果は、完成したHAWCアレイを用いた将来的な高感度モニタリングの基盤を築いた。これにより、より短い統合時間と低いフラックス不確実性が実現可能となる。