[論文レビュー] Observations of supernova remnants and pulsar wind nebulae at gamma-ray energies

John W. Hewitt, M. Lemoine‐Goumard|arXiv (Cornell University)|Oct 5, 2015

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 96被引用数 22

ひとこと要約

本稿は、超新星残骸（SNRs）およびパルサー風ネビュラ（PWNe）のガンマ線観測をレビューし、それらが銀河系宇宙線（CR）加速源として果たす役割を評価する。フェルミ-LATおよび地上のチェレンコフ望遠鏡のデータを用いて、タイコのような若いSNRが半分のペブロン（half-PeVatron）として機能する可能性があることが示され、高エネルギー域では核子的過程が支配的であると考えられるが、依然として1つのSNRにおいても陽子が3×10¹⁵ eVに達している明確な証拠は得られていない。これは、CR加速効率がSNRの進化の初期にピークに達する可能性を示唆している。

ABSTRACT

In the past few years, gamma-ray astronomy has entered a golden age thanks to two major breakthroughs: Cherenkov telescopes on the ground and the Large Area Telescope (LAT) onboard the Fermi satellite. The sample of supernova remnants (SNRs) detected at gamma-ray energies is now much larger: it goes from evolved supernova remnants interacting with molecular clouds up to young shell-type supernova remnants and historical supernova remnants. Studies of SNRs are of great interest, as these analyses are directly linked to the long standing issue of the origin of the Galactic cosmic rays. In this context, pulsar wind nebulae (PWNe) need also to be considered since they evolve in conjunction with SNRs. As a result, they frequently complicate interpretation of the gamma-ray emission seen from SNRs and they could also contribute directly to the local cosmic ray spectrum, particularly the leptonic component. This paper reviews the current results and thinking on SNRs and PWNe and their connection to cosmic ray production.

研究の動機と目的

• マルチウェーブレングスガンマ線データを用いて、超新星残骸（SNRs）およびパルサー風ネビュラ（PWNe）が銀河系宇宙線源として果たす役割を評価すること。
• SNRが陽子をペブ（PeV）エネルギーまで加速できるかどうかを特定し、銀河系宇宙線の起源という長年の疑問に答えること。
• フェルミ-LATおよびチェレンコフ望遠鏡のエネルギー範囲を活用して、SNRsおよびPWNeにおけるレプトン的および核子的放射メカニズムを区別すること。
• 将来の観測施設（例えば、チェレンコフ望遠鏡アレイ（CTA））を用いて、のちに銀銀河系内での高エネルギーCR加速源の検出可能性を評価すること。
• 特に初期進化段階において高エネルギー粒子が最も早く逃げ出す可能性があることを踏まえ、SNRにおけるCR加速効率および粒子の脱出の進化をモデル化すること。

提案手法

• フェルミ-LAT（0.03–>300 GeV）および地上のチェレンコフ望遠鏡（HESS, MAGIC, VERITAS）のガンマ線データを用い、TeVおよびGeVエネルギー域でSNRsおよびPWNeの空間的分解を実施する。
• スペクトルエネルギー分布（SED）解析を適用して、SNRsおよびPWNeにおけるレプトン的（逆コンプトン散乱、ブレムストラールング）および核子的（π⁰崩壊）放射メカニズムを区別する。
• 粒子注入、磁場増幅、閉じ込めモデルを組み込んだ非線形拡산的衝撃加速（DSA）理論を用いて、SNR衝撃波におけるCR加速をシミュレートする。
• CTAアレイ配置の設定を用いて、殻状SNR（例：RX J1713.7-3946, Vela Junior, RCW 86）のモンテカルロシミュレーションを実施し、検出可能性および解像度を予測する。
• フェルミ-LATおよびAGILEのデータを用いて、カブネビュラにおける時間分解ガンマ線フレアを分析し、加速 timescale および放射領域のサイズを制限する。
• 既知のSNRsの形態的およびスペクトル的特徴を分析し、将来のCTA感度を考慮して、検出可能なペブロンおよびPWNeの数を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超新星残骸は、銀河系宇宙線スペクトルに必要な10¹⁵ eV以上のエネルギーまで陽子を加速できるか？
• RQ2 SNRsおよびPWNeにおける観測されたガンマ線放射に、レプトン的と核子的過程の相対的寄与はそれぞれどの程度か？
• RQ3 カブネビュラにおけるガンマ線フレアが数日間の timescale で発生するのはなぜか？これは、非常に小型で効率の良い加速領域を示唆する。
• RQ4 のちに銀銀河系内で検出可能なペブロンはいくつあると予想され、チェレンコフ望遠鏡アレイ（CTA）で検出可能なSNRおよびPWNeの予想収量はどの程度か？
• RQ5 SNRにおけるCR加速効率の進化はどのようなものか？また、高エネルギー粒子が最も早く脱出する可能性がある初期段階でピークに達するのか？

主な発見

• フェルミ-LATおよびチェレンコフ望遠鏡は、さまざまな年齢、形態、環境を有する数十のSNRを検出しており、それらがCR加速源としての役割を果たしていることを確認している。
• タイコでは、VERITASデータにおいて10 TeVまでにスペクトルカットオフが観測されず、半分のペブロン（half-PeVatron）である可能性があるが、3×10¹⁵ eVでの陽子の明確な証拠は得られていない。
• カブネビュラは1日未塔の timescale でガンマ線フレアを示しており、これは10⁻² pc未塔の小型放射領域および極めて効率の良い粒子加速を示唆しており、おそらく磁気再結合によるものである。
• モンテカルロシミュレーションの予測では、CTAは20–70 TeVのSNRを検出し、そのうち7–15個を解像可能であり、銀河の反対側にある遠方の残骸（例：RX J1713.7-3946）も含む。
• CTAは約300個のパルサー風ネビュラを検出すると予想され、これによりのちに銀銀河系内のCR加速源の包括的把握が可能になる。
• 非熱的X線ストライプがタイコに観測されるなど、SNRsにおけるペブ電子およびペブ陽子の間接的証拠が得られており、高エネルギー粒子集団が初期進化段階にのみ一時的に存在する可能性を示唆している。