[論文レビュー] naima: a Python package for inference of relativistic particle energy distributions from observed nonthermal spectra

V. Zabalza|arXiv (Cornell University)|Sep 10, 2015

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 13被引用数 45

ひとこと要約

naima は、非熱的宇宙からのスペクトルから相対論的粒子エネルギー分布をシンクロトロン、逆運動電子線、ブレムストラールャン、およびパイオン崩壊モデルを用いて推論できるオープンソースの Python パッケージである。MCMC サンプリングを用いて X 線から VHE ガンマ線スペクトルに適合させ、粒子分布パラメータの事後分布を導出する。RX J1713–3946 へのハドロン的モデルの適合例では、切断エネルギーが $110^{+30}_{-20}$ TeV であると示された。

ABSTRACT

The ultimate goal of the observation of nonthermal emission from astrophysical sources is to understand the underlying particle acceleration and evolution processes, and few tools are publicly available to infer the particle distribution properties from the observed photon spectra from X-ray to VHE gamma rays. Here I present naima, an open source Python package that provides models for nonthermal radiative emission from homogeneous distribution of relativistic electrons and protons. Contributions from synchrotron, inverse Compton, nonthermal bremsstrahlung, and neutral-pion decay can be computed for a series of functional shapes of the particle energy distributions, with the possibility of using user-defined particle distribution functions. In addition, naima provides a set of functions that allow to use these models to fit observed nonthermal spectra through an MCMC procedure, obtaining probability distribution functions for the particle distribution parameters. Here I present the models and methods available in naima and an example of their application to the understanding of a galactic nonthermal source. naima's documentation, including how to install the package, is available at http://naima.readthedocs.org.

研究の動機と目的

• 非熱的宇宙的スペクトルからの粒子エネルギー分布を推論するための公開可能で再現可能なツールを提供すること。
• 多波長データへの非熱的放射モデルの適合に用いるオープンソースで検証可能なソフトウェアの不足に対処すること。
• パulsar wind nebulae や超新星残光などの天体における粒子分布のモデルに依存しない推論を支援すること。
• astropy および sherpa を介して天文学的解析ワークフローにスムーズに統合すること。
• MCMC サンプリングを用いたベイズ推論により不確実性の定量を可能にすること。

提案手法

• シンクロトロン、逆運動電子線、非熱的ブレムストラールャン、および中性パイオン崩壊放射のためのモジュラー放射モデルを実装している。
• ユーザー定義の粒子分布関数をサポートし、希釈された黒体放射場（CMB、FIR、NIR）における逆運動電子線散乱の解析的近似を用いている。
• naima.sherpa_models を介して sherpa スペクトル適合パッケージにラップされた放射モデルを提供している。
• MCMC サンプリングを用いて粒子分布パラメータの事後分布を推論し、中央値と 16 〜 84 パーセンタイルの不確実性を算出している。
• 単位は astropy.units を用いて処理され、次元の整合性とユーザーの入力単位の柔軟性を保証している。
• MCMC 収束の評価と事後分布、モデル適合の可視化のための診断およびプロット関数を提供している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 X 線から VHE ガンマ線帯域にわたり、RX J1713–3946 の観測された非熱的スペクトルを最もよく説明する粒子エネルギー分布は何か？
• RQ2 naima は MCMC サンプリングを用いて、ハドロン的粒子分布の切断エネルギーと指数の推定をどの程度正確に行えるか？
• RQ3 このパッケージは、不確実性を伴った形で、発表済みのスペクトル適合をどの程度正確に再現できるか？
• RQ4 粒子指数と切断パラメータの間の共分散が、モデル解釈にどの程度影響を及えるか？
• RQ5 MCMC 事後分布によって制約された、1 TeV 以上の陽子の総エネルギー含量はどれくらいか？

主な発見

• MCMC 擬合により、RX J1713–3946 の粒子指数は $s = 1.90 \pm 0.08$ に制約された。
• 陽子分布の切断エネルギーは $E_{\mathrm{cutoff}} = 110^{+30}_{-20}$ TeV と推定された。
• 1 TeV 以上の陽子エネルギー含量は $W_{p}(E_{p}>1\,\mathrm{TeV}) = (5.74^{+0.17}_{-0.2}) \times 10^{49} n_{\mathrm{H}}^{-1} d^{-2}_{1\,\mathrm{kpc}}$ erg であった。
• 事後分布は、粒子指数と切断パラメータの間で強い正の共分散を示した。
• 診断プロットにより、MCMC チェインが正常に収束しており、安定したサンプリングと明確な事後モードが確認された。
• モデルは観測された H.E.S.S. スペクトルを不確実性内に再現しており、100 個の事後サンプルスペクトルが良好な一致を示した。