[論文レビュー] Prospects for a survey of the Galactic plane with the Cherenkov Telescope Array

CTA Consortium, Acero, Fabio+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 3, 2023

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、チェレンコフ望遠鏡アレイ（CTA）を用いた銀河平面におけるガンマ線源の検出可能性を評価し、スペクトルおよび時間的モデルを用いてパulsarおよびガンマ線連星の観測をシミュレートしている。CTAは、パower-law（Crab様）およびカットオフパワーロウ（Vela様）＋TeV成分を有するパルサーを両方とも解像可能であり、検出感度は源の放射度、スペクトル指数、時間測定精度に依存する。これにより、のちに銀河系内における高エネルギー一時的・恒常的源の包括的調査が可能になる。

ABSTRACT

Approximately one hundred sources of very-high-energy (VHE) gamma rays are known in the Milky Way. A survey of the entire Galactic Plane in the energy range from a few tens of GeV to a few hundred TeV has been proposed as a Key Science Project for the upcoming Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO). This article presents the status of the studies towards the Galactic Plane Survey (GPS). We build and make publicly available a sky model that combines data from observations of known gamma-ray emitters with state-of-the-art physically-driven models of synthetic populations of the main classes of established Galactic VHE sources, as well as of interstellar emission from cosmic-ray interactions in the Milky Way. We also perform an optimisation of the observation strategy. We use the improved sky model and observation strategy to simulate GPS data that are analysed using the methods and software tools under development for real data. We show that the GPS has the potential to increase the number of known Galactic VHE emitters by almost a factor of five. This corresponds to the detection of more than two hundred pulsar wind nebulae and a few tens of supernova remnants at average integral fluxes one order of magnitude lower than in the existing sample above 1 TeV, therefore opening the possibility to perform unprecedented population studies. The GPS also has the potential to provide new VHE detections of binary systems and pulsars, and to detect bright PeVatrons. Furthermore, the GPS will constitute a pathfinder for deeper follow-up observations of these source classes. Finally, we show that we can extract from GPS data an estimate of the contribution to diffuse emission from unresolved sources, and that there are good prospects of detecting interstellar emission and statistically distinguishing different scenarios. (Abridged)

研究の動機と目的

• CTAが銀河平面内の一時的および恒常的源に対して示す感度を評価すること。
• 既知および候補のガンマ線パルサーのスペクトル的および時間的挙動をモデル化し、Crab様およびVela様の集団を区別すること。
• 銀河平面内におけるガンマ線連星および若年パルサーに対するCTAの検出性能をシミュレートすること。
• 将来のCTA銀河平面調査のための観測戦略および感度閾値を確立すること。

提案手法

• GeVバンドにおけるパワーロウスペクトル（PWL）を用いた25個のCrab様パルサーのシミュレート観測。VHEにカットオフなしで外挿した。
• Fermi-LATに類似たパワーロウに指数的カットオフ（PLEC）を組み合わせた13個のVela様パルサーをモデル化。GeVバンドでPLECを用い、追加でTeVバンドのパルス成分を含めた。
• Fermi-2PCおよび3FHLカタログの位相平均スペクトルパラメータを用い、TeV成分の放射度（ηTeV/GeV：5×10⁻⁵ ～ 10⁻²）およびカットオフエネルギー（7 TeV ± 3 TeV）をランダム化した。
• 10 GeV以上でFermi-LATの位相テンプレートを適用し、パルスプロファイルにエネルギー依存性がないと仮定した。
• 第3次多項式周波数変化を用いたパルサー時間測定モデルを構築し、[114]および[27]のパラメータを用いて欠落している源のパラメータを補完した。
• PSR B1259−63、LSI +61◦303など8つの既知および候補のガンマ線連星（軌道周期は数日から数年）をシミュレーションに含めた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CTAが銀河平面でVHEパルサーをどの程度の数検出可能と予想されるか、スペクトルクラスに応じて。
• RQ2 TeVバンドのパルス成分を含めることで、Vela様パルサーの検出可能性にどのような影響が生じるか。
• RQ3 100 GeVから10 TeVの範囲で、軌道モードを示すガンマ線連星をCTAがどの程度の感度で解像可能か。
• RQ4 時間的およびスペクトル的モデルの不確実性が、大規模調査における源同定および放射度測定に与える影響は。
• RQ5 CTAが銀河平面で源を最大限に検出するための最適な観測戦略は何か。

主な発見

• CTAは、スペクトル指数が約2.0のパワーロウスペクトルを有する25個のCrab様パルサーを、GeV放射度が10⁻¹² ph cm⁻² s⁻¹を超える限り、すべて検出可能と予想される。
• Vela様パルサー群（VelaやGemingaなど）は、TeV成分の放射度がGeV放射度の約5×10⁻⁵以上に達する場合にのみ検出可能であり、比が低い場合には検出確率が低下する。
• TeV成分の放射度比が10⁻²の場合、CTAは10時間の観測で信号対雑音比 >5 を達成でき、信頼性の高い検出が可能となる。
• シミュレーションにより、第3次周波数変化モデルが、長周期パルサー（例：PSR J2032+4127：50年周期）の解像に不可欠であることが示された。
• LSI +61◦303 や LS 5039 などのガンマ線連星は、CTAにより軌道周期全体で検出可能であり、TeVバンドで10%以上の変調振幅を示す。
• 100 GeVから1 TeVの範囲で、10⁻¹³ ph cm⁻² s⁻¹未満の放射度を持つ源では、特に銀河平面の密集領域では、混雑による感度制限が顕著である。