[論文レビュー] On the gamma-ray fluxes expected from Cassiopeia A

A. M. Atoyan, F. Aharonian+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 11, 2000

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用数 11

ひとこと要約

本稿は、相対論的電子および磁場の空間非均一モデルを用いて、カシオペアAからの高エネルギーγ線放射率を予測し、電子のブレムストラahlungおよび逆コンプトン散乱によるGeVおよびTeVエネルギー帯の検出可能なγ線放射を示している。陽子のバリオン的パイオン崩壊はTeVエネルギー帯で顕著な寄与を示す。GeVエネルギー帯でのスペクトルの硬さ（光子指数β ≈ 2.2）と1 TeVを超えると急激に傾斜がきつい特徴により、電子起源と陽子起源を区別でき、将来的な粒子加速および磁場構造に関する制約が可能になる。

ABSTRACT

Based on the results of our previous study of the broad band synchrotron emission of Cas A in the framework of a spatial inhomogeneous model, we calculate the fluxes of gamma-radiation that can be expected from this supernova remnant in different energy bands. We show that at energies below 10 GeV gamma-ray fluxes detectable by forthcoming space-borne detectors should be produced due to bremsstrahlung of radio emitting electrons. We predict that the power-law index of the photon flux in the GeV region should be hard, close to the index ~2.2 expected for the acceleration spectrum of the electrons. Photon fluxes accessible to future ground-based gamma-ray detectors could also be expected at very high energies. The fluxes to be expected due to bremsstrahlung and inverse Compton radiation of relativistic electrons at TeV energies should be very steep, and strongly dependent on the characteristic magnetic fields in Cas A. We could expect also significant fluxes of pi^0 -decay gamma-rays produced by relativistic protons. These fluxes may extend with a hard spectrum beyond TeV energies as far as the protons would be accelerated to energies beyond 100 TeV. The hardness of the gamma-ray spectrum at TeV energies could in principle allow one to distinguish between electronic and hadronic origins of those gamma-rays. We discuss also other implications, such as relativistic particle content, or physical parameters in the source, that could be derived from future gamma-ray flux measurements in different energy bands.

研究の動機と目的

• 相対論的電子および磁場の空間非均一モデルに基づき、カシオペアAからの高エネルギーγ線放射率を予測すること。
• 近い将来の宇宙機搭載および地上型検出器を用いたGeVおよびTeVエネルギー帯でのγ線放射の検出可能性を特定すること。
• スペクトル形状の分析により、電子支配と陽子支配のγ線放射メカニズムを区別すること。
• 予測されたγ線放射率を用いて、カシオペアAにおける磁場強度および相対論的陽子エネルギー密度を制約すること。
• 多波長γ線および電波観測から、電子加速指数およびガス密度といった物理的パラメータを導出すること。

提案手法

• コンパクトな電波キノン（ゾーン1）と拡散的電波プレートオーブ（ゾーン2）の2ゾーンからなる空間非均一モデルを採用し、それぞれ異なる磁場および電子エネルギー分布を有する。
• 電波からX線帯域のシンクロtron放射データを用いて、両ゾーンにおける電子エネルギースペクトルおよび磁場を制約する。
• 電子加速スペクトル指数β_acc ≈ 2.2を仮定し、相対論的電子によるブレムストラahlungおよび逆コンプトン放射によるγ線放射率を計算する。
• 衝撃波で加速された相対論的陽子からのパイオン崩壊によるγ線放射率を評価し、陽子エネルギーが≥100 TeVに達すると仮定する。
• エネルギー帯域に跨る放射率計算を実施：10–100 MeV（ブレムストラahlung）、10–100 GeV（ブレムストラahlungおよびIC）、100 GeV以上（IC、ブレムストラahlung、およびパイオン崩壊）。
• EGRET、Whipple、CAT、HEGRAの観測上限と比較して、磁場強度および陽子エネルギーといったモデルパラメータを制約する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電子のブレムストラahlungおよび逆コンプトン散乱によって、カシオペアAからのGeVおよびTeVエネルギー帯のγ線放射率はどの程度期待されるか？
• RQ2 GeVおよびTeVエネルギー帯におけるγ線放射のスペクトル形状は、電子支配と陽子支配（パイオン崩壊）の放射メカニズムをどのように区別できるか？
• RQ3 将来的なγ線観測は、カシオペアAのコンパクト電波構造および拡散的プレートオーブにおける磁場強度にどのような制約を加えるか？
• RQ4 10–100 MeVおよび100 GeV–1 TeVエネルギー帯におけるγ線放射測定は、コンパクト電波キノンにおけるガス密度および金属量をどの程度解体可能か？
• RQ5 現在のγ線放射上限に基づいて、カシオペアAに存在する相対論的陽子の全エネルギーに対する下限はどの程度か？

主な発見

• 100 MeV以上のγ線放射率は、電波放射電子のブレムストラahlungによりGLASTで検出可能であり、GeV帯での光子指数β ≈ 2.2は電子加速スペクトルと整合的である。
• TeVエネルギー帯では、電子由来のγ線スペクトルは1 TeVを超えて急激に傾斜がきつくなり（αγ > 3）、一方でバリオン的パイオン崩壊放射はスペクトルが硬いままであり、陽子が≥100 TeVに加速されている場合、100 TeVを超えて延長される可能性がある。
• コンパクト電波構造における磁場が1 mGの場合、TeV帯放射率はカブレッド・クラウンの5％以上に達し、VERITASやHEGRAなどのIACTアレイでも高い磁場でも検出可能である。
• 全陽子エネルギーが2×10⁴⁹ ergを超える場合、500 GeV以上で0.05–0.1 Crabの放射率が予想され、将来的な地上型検出器で観測可能となる。
• WhippleおよびCATの現在の上限から、陽子エネルギーは≤5×10⁴⁹ ergに制限され、TeV放射の非検出はバリオン的加速効率が電子加速効率以下であることを示唆する。
• VHE帯γ線のスペクトル形状（電子由来では1 TeVを超えて傾斜がきつくなるが、陽子由来ではスペクトルが硬い）は、将来的な観測においてバリオン的起源とレプトン的起源を明確に区別するための明確な診断手段を提供する。