[論文レビュー] Morphology of Gamma-Ray Halos around Middle-Aged Pulsars: Influence of the Pulsar Proper Motion

Yi Zhang, Ruo-Yu Liu+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 29, 2020

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 65被引用数 14

ひとこと要約

本稿は、中年期のパルサー周囲のガンマ線ハローの形態をモデル化し、パルサーの固有運動が特徴的な形態的段階を引き起こすことを示している。GeV〜TeVエネルギーでは、電子の拡산の非対称性により二重ピークまたは尾のような構造が生じるが、10 TeV以上では電子冷却が速いためほぼ球状のハローとなる。主な結果として、10 TeV以上ではパルサーとハロー中心のずれが通常小さすぎて、HAWC や LHAASO が解像できないことが判明し、パルサーが近くにない限り、拡張されたVHE源を同定する観測的シグナルは限られる。

ABSTRACT

Recently, gamma-ray halos of a few degree extension have been detected around two middle-aged pulsars, namely, Geminga and PSR B0656+14, by the High Altitude Water Cherenkov observatory (HAWC). The gamma-ray radiation arise from relativistic electrons that escape the pulsar wind nebula and diffuse in the surrounding medium. The diffusion coefficient is found to be significantly lower than the average value in the Galactic disk. If so, given a typical transverse velocity of $300-500{\, m km /s}$ for a pulsar, its displacement could be important in shaping the morphology of its gamma-ray halos. Motivated by this, we study the morphology of pulsar halos considering the proper motion of pulsar. We define three evolutionary phases of pulsar halo to categorize its morphological features. The morphology of pulsar halos below 10$\,$TeV is double peaked or single peaked with an extended tail, which depends on the electron injection history. Above 10 TeV, the morphology of pulsar halos is nearly spherical, due to the short cooling timescale ($<50\,$kyr) for tens TeV electrons. We also quantitatively evaluate the separation between the pulsar and the center of the gamma-ray halo, as well as the influence of different assumptions for the pulsar characteristics and the injected electrons. Our results suggest that the separation between the center of the gamma-ray halo above 10$\,$TeV and the associated pulsar is usually too small to be observable by HAWC or LHAASO. Hence, our results provide a useful approach to constrain the origin of extended sources at very high energies.

研究の動機と目的

• 中年期パルサー周囲のガンマ線ハローの形態が、パルサーの固有運動によってどのように変化するかを理解すること。
• HAWC や LHAASO といった現在および将来の機器で観測可能な、パルサーのハローのずれのシグナルを特定すること。
• 電子の注入履歴、拡散特性、冷却 timescale がハロー形態に与える影響を評価すること。
• 拡張されたTeV〜PeVガンマ線源の起源を制約するためのフレームワークを提供すること。

提案手法

• 相対論的電子が銀河間物質内で拡散する際の逆コンプトン散乱によるガンマ線放射をモデル化する。
• 時間スケールに基づき、ハローの進化を3段階に分ける：パルサーの移動距離と電子拡散長の比（tpd）、電子冷却時間（tc）、パルサー年齢（tage）。
• 空間的に変化する拡散係数を組み込み、出生地点を中心に緩やかな拡散領域を持つ二領域モデルを仮定する。
• Fermi-LAT、HESS、LHAASO の機器固有のポイント spread function (PSF) を用いて、シミュレートされたハロー形態を観測解像度に合わせて平滑化する。
• パルサーとハローの重心（Θ）および明るい点（Θ′）の間隔を、エネルギーおよびモデルパラメータの関数として定量化する。
• 極端なケース解析では、tage − tc で電子注入が停止すると仮定し、最大の可能性のあるずれ角（Θmax、Θ′max）を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 パルサーの固有運動は、GeVおよびTeVエネルギー帯でのガンマ線ハローの空間的形態にどのように影響するか？
• RQ2 ハローのずれの観測的シグナルは何か？また、HAWC や LHAASO といった現在の機器で解像可能か？
• RQ3 電子の注入履歴と拡散特性は、パルサーのハローの非対称性やピーク構造にどのように影響するか？
• RQ4 極端な仮定のもとで、パルサーとハロー中心との最大の角度ずれは何か？それは源の同定に何を示唆するか？

主な発見

• 10 TeV未満のハローでは、電子の注入履歴に応じて二重ピークまたは尾を伴う単一ピークの構造を示す。これは、パルサーの運動に起因する電子拡散の非対称性による。
• 10 TeV以上では、電子冷却時間が50 kyr未満であるため、ハローは冷却によりほぼ球状となり、顕著な非対称性は抑制される。
• パルサーとハローの重心（Θ）および明るい点（Θ′）の間隔は、ガンマ線エネルギーが高くなるにつれて減少し、通常のパルサー距離および速度では10 TeV以上で解像不能になる。
• パルサーとハロー重心間の最大角度ずれは、実験的に Θmax = 3°(Eγ/1 TeV)−0.77(vtr/400 km s−1)(d/2 kpc)−1（3 µGの磁場下）で与えられ、標準的仮定のもとでは大きなずれは生じにくい。
• 磁場強度はずれに顕著な影響を与えるが、電子の注入スペクトルおよび背景光子場は弱い影響にとどまるため、磁場構造が大規模な観測されたずれを解釈する鍵であると考えられる。
• 大きなずれが観測された場合、それは複雑な磁場構造や非パルサー起源のハローを示唆し、高解像度の多波長フォローアップが不可欠である。