[論文レビュー] Morphological and spectral measurements of 2HWC J1928+177 with HAWC and H.E.S.S

R. López-Coto, V. Marandon+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 10, 2017

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 4被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、HAWCとH.E.S.S.のデータを統合して、TeV源2HWC J1928+177の形態およびスペクトルを分析し、83 kyrの年齢のパルサーPSR J1928+1746によって駆動されるパルサー風超新星残骸（PWN）である可能性が最も高いと結論している。源は10 TeV以上で点状の形態を示し、硬いパワーロー スペクトル（Γ ≈ 2.6）を示しており、電子・陽電子対のクラッシュ発光と整合的である。一方、ハドロン的モデルでは、不自然に高い陽子加速効率を要するため、PWN起源が最も妥当な説明であるとされる。

ABSTRACT

2HWC J1928+177 is a source recently discovered at TeV energies in the second HAWC catalog. It is coincident with the Fermi unidentified source 3FGL J1928+1739 and the pulsar PSR J1928+1746, which is 83 kyr old and located at a distance of 5 kpc with an Edot=1.6 x 10$^{36}$ erg/s. 2HWC J1928+177 is not detected by any of the IACTs currently in operation, which puts strong constrains on the morphology and spectrum of the source. There is no sign of shell-like structure in the region at other wavelengths, which in addition to the presence of a pulsar at the center, points to a Pulsar Wind Nebula origin of the TeV emission. We present a dedicated morphological and spectral analysis of the region using HAWC and H.E.S.S. data to unveil the nature of the source and study its properties.

研究の動機と目的

• HAWCが検出したTeVガンマ線放射としての2HWC J1928+177の起源を特定すること。
• 複数の機器を用いたデータを統合して、源の形態的およびスペクトル的性質を解明すること。
• 放射がパルサー風超新星残骸（PWN）由来であるか、陽子-陽子衝突を伴うハドロン的起源であるかを検証すること。
• パルサーの回転減速パワーと年齢に基づくPWNの現象論的モデルと、源の整合性を評価すること。

提案手法

• 760.3日間のライブタイム（2014年11月〜2017年2月）のHAWCデータを、fHitに基づくエネルギーチャンクを用いて分析し、角分解能の向上と高エネルギーでの形態検出を実現した。
• H.E.S.S.の上限は、30時間の観測から0.1°および0.4°の統合半径を用いて算出され、安全閾値は約500 GeVであった。
• スペクトルフィッティングには単一のパワーロー スペクトルモデルを用い、dN/dE = f₀(E/E₀)⁻ᵞと表記した。E₀ = 7 TeV、f₀ = (1.07 ± 0.12)×10⁻¹⁴ TeV⁻¹ cm⁻² s⁻¹、Γ = 2.60 ± 0.09とした。
• 現象論的PWNモデルを適用し、パルサーの回転減速パワーと特徴的年齢の関数として、源のTeV効率、放射度、および光子指数が、パルサー集団の傾向とどの程度整合するかを比較した。
• π⁰崩壊によるハドロン的放射モデルを検証し、密度n = 1 cm⁻³の媒体を仮定した。
• エネルギー予算の計算により、1 TeV以上の電子（Wₑ = 4.9⁺¹.⁶₋₁.²×10⁴⁷ erg）および陽子（Wₚ = 1.72⁺⁰.¹₃₋₀.³×10⁵⁰ erg）に含まれる全エネルギーを推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2HWC J1928+177のVHEガンマ線放射は、PSR J1928+1746によって駆動されるパルサー風超新星残骸（PWN）由来であると整合的か？
• RQ2 10 TeV以上のエネルギー領域における源の固有の形態は何か？また、エネルギー依存性の構造を示すか？
• RQ3 観測されたスペクトルは電子・陽電子対のクラッシュ発光によって説明可能か、それともハドロン的成分を要するか？
• RQ4 観測されたVHE放射を駆動するのに必要なパルサーの回転減速エネルギーの割合はどれくらいか？これはPWNにとって現実的か？
• RQ5 放射度、効率、スペクトル指数の観点から、既知のPWN集団と比較して、源はどの程度類似しているか？

主な発見

• HAWCによる2HWC J1928+177の検出は、約10σの有意性を示し、パワーロー スペクトルはdN/dE = (1.07 ± 0.12)×10⁻¹⁴ TeV⁻¹ cm⁻² s⁻¹ × (E/7 TeV)⁻².⁶⁰とフィットした。この範囲は約1 TeVから86 TeVまで有効である。
• 10 TeV以上のエネルギー領域では、源は角分解能約0.2°で点状に見えるため、最高エネルギー領域でのコンパクトな形態を示している。
• H.E.S.S.の上限は、最大0.4°までの源サイズと整合的であるが、HAWCのデータは高エネルギー領域でのより小さな点状形態を支持している。
• 電子ベースのPWNモデルは、パルサーの回転減速パワーと年齢の関数としての現象論的PWN傾向の68%信頼区間内に収まり、放射度、TeV効率、および光子指数の観点で整合的である。
• ハドロン的モデルでは、1 TeV以上の陽子加速に、超新星爆発エネルギーの10%以上を割り当てなければならないが、これは通常のSNR環境と整合せず、不自然に高い。
• 1 TeV以上の電子に含まれる全エネルギーはWₑ = 4.9⁺¹.⁶₋₁.²×10⁴⁷ ergであり、パルサーの全回転減速エネルギーのわずか約0.5%に過ぎないため、電子ベースの放射は現実的である。