[論文レビュー] New pulsars detected in gamma-rays with the Fermi-LAT

H. Laffon, D. A. Smith+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 11, 2015

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 14被引用数 10

ひとこと要約

本論文では、Fermi-LATのPass 8イベント再構築手法を用いて、11個の新しいガンマ線パルサー（10個の新発見および1個の既知のもの）を検出した。Pass 8は低エネルギー感度を40%向上させ、これにより、混雑した銀河中心領域に位置する明るくないが高スピンダウンパワーを持つパルサーの検出が可能になった。特に、$\dot{E} \geq 10^{35}$ erg/sのエネルギー効率の高いパルサー3個が、高い背景やビーム幾何学的制限のため、従来のPass 7では検出できなかった。

ABSTRACT

The Fermi Large Area Telescope (LAT) is a powerful pulsar detector, as demonstrated by the over one hundred objects in its second catalog of pulsars. Pass 8 is a new reconstruction and event selection strategy developed by the Fermi-LAT collaboration. Due to the increased acceptance at low energy, Pass 8 improves the pulsation detection sensitivity. Ten new pulsars rise above the 5 sigma threshold and are presented in this work, as well as one previously seen with the former Pass 7 reconstruction. More than 60$\%$ of the known pulsars with spin-down power ($\dot{E}$) greater than $10^{36}$ erg/s show pulsations in gamma-rays, as seen with the Fermi Large Area Telescope. Many non-detections of these energetic pulsars are thought to be a consequence of a high background level, or a large distance leading to a flux below the sensitivity limit of the instrument. The gamma-ray beams of the others probably miss the Earth. The new Pass 8 data now allows the detection of gamma ray pulsations from three of these high spin-down pulsars, PSRs J1828$-$1101, J1831$-$0952 and J1837$-$0604, as well as three others with $\dot{E}$ $\ge 10^{35}$ erg/s. We report on their properties and we discuss the reasons for their detection with Pass 8.

研究の動機と目的

• Fermi-LATの更新されたPass 8再構築法とイベント選別戦略を用いて、新しいガンマ線パルサーを同定すること。
• 高スピンダウンパワーを持つパルサーの検出に課されていた制限（高バックグラウンド、大距離、ビーム幾何学的要因）を克服すること。
• 感度向上が$\dot{E} \geq 10^{35}$ erg/sのパルサーの検出率に与える影響と、非検出要因としてのビーム幾何学的要因の役割を評価すること。
• 特に銀河中心付近の高密度領域において、Pass 8が電波非放射パルサーを検出する有効性を評価すること。
• 高$\dot{E}$を持つ新規検出パルサーの分析を通じて、パルサー放射幾何学的構造とガンマ線死線の理解を精緻化すること。

提案手法

• Pass 7と比較して低エネルギー受容率と信号対バックグラウンド比を向上させるPass 8再構築アルゴリズムの適用。
• 精度の高いGPS時刻同期（≤1 μs）と既知の宇宙船位置を用いて、ガンマ線イベントの位相畳み込み解析を実施。
• とくに明るくない源のパルス性の有意性を向上させるために、確率重み付け手法を採用。
• 地上電波望遠鏡（例：ナンシー、グリーン・バンク）からの電波エフェメリスを活用し、既知のパルサーのコherentタイミング解析を実施。
• 未同定LAT源に対するブラインド周期探索と深度電波フォローアップを実施し、特にミリ秒パルサーの新規同定を試みた。
• 検出パルサーを$\sqrt{\dot{E}}/d^2$ヒューリスティックなフラックス推定器と比較し、検出閾値と感度限界を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Pass 8による低エネルギー感度の向上が、明るくないおよび高スピンダウンパワーを持つガンマ線パルサーの検出に与える影響は何か？
• RQ2 なぜ一部の高-$\dot{E}$パルサーはPass 7では検出されなかったのか？距離、バックグラウンド、ビーム幾何学的要因などの要因が検出を制限する理由は何か？
• RQ3 パルサーのスピンダウンパワーに応じてガンマ線検出パルサーの割合はどのように変化するのか？これは放射幾何学的構造と検出閾値に関する何を示唆するか？
• RQ4 ビーム幾何学的要因と信号対バックグラウンド比が、十分な$\dot{E}$があるにもかかわらずエネルギー効率の高いパルサーが非検出となる理由をどの程度説明できるか？
• RQ5 Pass 8は、銀河中心のような高バックグラウンド領域に存在する電波非放射パルサーを検出できるか？これによりLATの感度限界はどのような情報を明らかにするか？

主な発見

• Pass 8では10個の新しいガンマ線パルサーが検出され、そのうち3個（PSRs J1828−1101, J1831−0952, J1837−0604）は$\dot{E} \geq 10^{35}$ erg/sのエネルギー効率の高いパルサーであり、Pass 7では検出できなかった。
• Pass 8再構築は点源に対して感度を40%向上させ、エネルギーフラックスが$5 \times 10^{-12}$ erg cm⁻² s⁻¹未満のパルサーの検出を可能にした。
• 既知のパルサーのうち$\dot{E} > 10^{36}$ erg/sのもののおよそ60%以上がガンマ線で検出された。これはスピンダウンパワーと検出可能性の強い相関があることを示している。
• 新規に同定された若年齢パルサーのうち6個が銀河中心領域に位置し、ここでは高エネルギーの拡散放射とバックグラウンドが検出を妨げていた。
• $\sqrt{\dot{E}}/d^2 < 10^{15} \sqrt{\text{erg s}^{-1}} \text{ kpc}^{-2}$の領域では検出パルサーの割合がゼロに低下し、感度と$\dot{E}$-死線の限界を確認した。
• 電波非放射パルサーの検出は、高$\dot{E}$であってもガンマ線ビームが地球を向いていなければ非検出となることが確認され、ビーム幾何学的要因が非検出の主因であることが示された。