[論文レビュー] Predicting the X-ray flux of evolved pulsar wind nebulae based on VHE gamma-ray observations

M. Mayer, J. Brucker+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 7, 2012

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、非常に高エネルギー（VHE）ガンマ線観測のみを用いて、進化したパルサー風超新星残光（PWNe）のX線放射度を予測する時間に依存するレプトンモデルを開発する。モデルをVHEデータにフィットさせ、レプトンの年齢、冷却、空間的投影効果を考慮することで、同定済みPWNeのX線放射度を約2倍の要因以内に成功して予測した。これにより、未同定のVHE源に対する検出可能なX線信号の推定が可能になった。

ABSTRACT

Energetic pulsars power winds of relativistic leptons which produce photon nebulae (so- called pulsar wind nebulae, PWNe). Their spectral energy distribution has a double-humped structure: the first hump lies in the X-ray regime, the second in the gamma-ray range. The X-ray emission is generally understood as synchrotron radiation by highly energetic leptons, the gamma-ray emission as Inverse Compton scattering of energetic leptons with ambient photon fields. The spectral evolution is influenced by the time-dependent spin-down of the pulsar and the decrease of the magnetic field strength with time. Thus, the present spectral appearance of a PWN depends on the age of the pulsar: while young PWNe are bright in X-rays and gamma-rays, the X-ray emission of evolved PWNe is suppressed. Hence, evolved pulsar wind nebulae may offer an explanation of the nature of some of the unidentified VHE (very high-energy, E > 100GeV) gamma-ray sources not yet associated with a counterpart at other wavelengths. The purpose of this work is to develop a model which allows to calculate the expected X-ray fluxes of unidentified VHE gamma-ray sources considered to be PWN candidates. Such an estimate may help to evaluate the prospects of detecting the X-ray signal in deep observations with current X-ray observatories in future studies. We present a time-dependent leptonic model which predicts the broad-band emission of a PWN according to the characteristics of its pulsar. For a sample of representative PWNe, the resulting model predictions in the X-ray and gamma-ray range are compared to observations. The comparison shows that the energy flux of the X-ray emission of identified PWNe from different states of evolution can be roughly predicted by the model. This implies the possibility of an estimate of the non-thermal X-ray emission of unidentified VHE gamma-ray sources in case of an evolved PWN scenario.

研究の動機と目的

• VHEガンマ線観測のみに基づいて、進化したパルサー風超新星残光（PWNe）のX線放射度を予測するモデルを開発すること。
• 進化したPWN状況下で、未同定のVHEガンマ線源からのX線放射の検出可能性を評価すること。
• 時間に依存するレプトン注入、冷却、空間的投影効果を考慮して、全波長スペクトルエネルギー分布（SED）をモデル化すること。
• VHE観測とX線観測における分析領域サイズやレプトン年齢の差異を補正することで、X線放射度の予測を改善すること。
• 将来的な深宇宙X線観測が、予想される放射度レベルを推定することで、未同定のVHE源をより高い信頼性でターゲットにすることを可能にすること。

提案手法

• 時間に依存するレプトンモデルを構築し、パルサーの回転減速エネルギー損失 $ \dot{E}(t) = \dot{E}_0 \left(1 + \frac{t}{\tau_0}\right)^{-(n+1)/(n-1)} $ を含む、PWNeにおける非熱的放射の進化を記述する。
• モデルの自由パラメータは、4つの代表的なPWNe（異なる進化段階）の観測されたVHEガンマ線スペクトルにフィットさせることで制約される。
• 同じ相対論的レプトン集団からのシンクロtron放射（X線）と逆効果コンプトン散乱（VHEガンマ線）をモデルが考慮する。
• X線分析領域サイズに基づき、レプトンの年齢と断熱的冷却時間スケールを再計算し、$ \tau_{\text{ad}} = \frac{3}{2} t $ とする。
• 3次元幾何モデルを用いて線路上の発光を統合することで、投影効果を補正し、レプトンの流れ出る速度を $ c/3 $ と仮定する。
• 最終的なモデル予測は、X線、ガンマ線、VHEガンマ線データと比較され、観測されたX線放射度により近づけるように調整がなされた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 VHEガンマ線観測のみから、進化したPWNeのX線放射度を信頼性高く予測できるか？
• RQ2 レプトンの年齢、冷却、空間的投影効果が、観測値と比較して予測されたX線放射度に与える影響は何か？
• RQ3 VHE観測とX線観測における分析領域サイズの差異を考慮することで、モデルがX線放射度予測をどの程度改善するか？
• RQ4 未同定のVHEガンマ線源からのX線放射の検出可能性をPWN状況で予測するために、このモデルを用いることができるか？
• RQ5 若いレプトン集団と古いレプトン集団が、進化したPWNeの現在のX線およびVHEガンマ線SEDをどのように形作っているか？

主な発見

• レプトンの年齢と空間的投影効果を補正した後、同定済みPWNeのX線エネルギー放射度は、測定値の約2倍の要因以内にモデルが予測した。
• MSH 15-52のX線放射度は、$ 13.6 \times 10^{-12} \, \text{erg} \, \text{cm}^{-2} \, \text{s}^{-1} $ と予測され、測定値の $ 12.0 \pm 0.3 \times 10^{-12} \, \text{erg} \, \text{cm}^{-2} \, \text{s}^{-1} $ に近く、一致した。
• HESS J1837-069については、モデルが $ 1.55 \times 10^{-12} \, \text{erg} \, \text{cm}^{-2} \, \text{s}^{-1} $ を予測したが、測定値の $ 1.0 \times 10^{-12} \, \text{erg} \, \text{cm}^{-2} \, \text{s}^{-1} $ と比較して、誤差 $ \pm 0.4 $ の範囲内であった。
• モデルはVHEおよびガンマ線のSEDをうまく再現したが、初期段階では分析領域やレプトン年齢の仮定の不一致により、X線放射度を過大評価していた。
• レプトンの年齢と投影の補正を施した後、モデルのX線予測は観測値と著しく一致し、その予測能力が確認された。
• 本研究では、進化したPWNeがVHEガンマ線で明るいままである一方で、X線放射は弱くなることが示され、未同定のVHE源候補としての役割を支持する結果となった。