[論文レビュー] Pulsar Emission above the Spectral Break - A Stacked Approach

A. McCann|arXiv (Cornell University)|Mar 5, 2015

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、平均露出時間4.2年間の115個のフェルミ-LATガンマ線パルサーを積み重ねた解析を行い、50 GeV以上の累積的放射を探索したが、顕著な過剰は観測されなかった。結果として、パルサー集団からの平均放射束縁は、56–100 GeV帯でカブリックパルサーの放射束縁の7%未満に制限される。これは、逆コンプトン散乱などの非指数的抑制を受ける放射（例：非指数的抑制）が集団全体に広く見られないことを示唆しているが、完全には除外されない。

ABSTRACT

NASA's Fermi space telescope has provided us with a bountiful new population of gamma-ray sources following its discovery of 150 new gamma-ray pulsars. One common feature exhibited by all of these pulsars is the form of their spectral energy distribution, which can be described by a power law followed by a spectral break occurring between $\sim$1 and $\sim$8 GeV. The common wisdom is that the break is followed by an exponential cut-off driven by radiation/reaction-limited curvature emission. The discovery of pulsed gamma rays from the Crab pulsar, the only pulsar so far detected at very high energies (E$>$100GeV), contradicts this "cutoff" picture. Here we present a new stacked analysis with an average of 4.2 years of data on 115 pulsars published in the 2nd LAT catalog of pulsars. This analysis is sensitive to low-level $\sim$100 GeV emission which cannot be resolved in individual pulsars but can be detected from an ensemble.

研究の動機と目的

• GeVスペクトルブレークより高いエネルギー帯で、逆コンプトン散乱などの非指数的抑制を受けるガンマ線放射が、ガンマ線パルサーにおいて一般的であるかどうかを検証すること。
• 115個のパルサーのデータを積み重ねることで、個々のパルサーの検出限界を超えて、低レベルの非常に高エネルギー（VHE；E > 50 GeV）放射への感度を向上させること。
• 100 MeVから50 GeVの範囲における集団的パルサー集団のスペクトル形状を評価すること、特に指数的カットオフモデルから逸脱しているかどうかを検討すること。
• パルサーのスペクトル形状を制限することで、銀河系の拡散放射モデルや間接的ダークマター探索に寄与すること。

提案手法

• 積み重ね解析では、115個のガンマ線パルサーのフェルミ-LATデータを、アパーチャー光度測定法を用いて統合し、位相分解のオンソースおよびオフソースイベント選択を適用する。
• 露出補正をgtexposureを用いて行い、エネルギーチャンクごとに過剰放射束縁を抽出するため、修正されたオンマイナスオフ法を用いる。
• スペクトルエネルギー分布（SED）は、パワー則に従う部分と、サブ指数的カットオフ関数の組み合わせでフィットする。カットオフ指数bは自由パラメータとして許容する。
• b=1（指数的カットオフ）を固定したフィットと、bを自由に動かしたフィットを比較し、サブ指数的形態への好みを評価する。
• 統計的不確実性をフィットに用いるが、システムティックな効果により真の不確実性が低く見積もられている可能性がある。
• 若年パルサー、ミリ秒パルサー、およびサブサンプルに別々にこの手法を適用し、スペクトルの違いを検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フェルミ-LATパルサー集団に、50 GeV以上の累積的VHE放射が存在するか。これは、個々のパルサーに非指数的抑制を受ける成分が存在する可能性を示唆する。
• RQ2 若年パルサーとミリ秒パルサーの積み重ねSEDは、指数的カットオフよりもサブ指数的カットオフを好むか。これは、逆コンプトン散乱のような集団的放射メカニズムを示唆するか。
• RQ3 GeVブレークより高いエネルギー帯での観測スペクトル形状は、放射反作用制限を伴う曲率放射モデルで説明可能か。それとも、代替の放射プロセスを必要とするか。
• RQ4 56–100 GeV帯におけるパルサー集団の平均放射束縁の上限は何か。これは個々のパルサーの明るさにどのように制限を加えるか。
• RQ5 結果が、ダークマター探索の文脈における未関連ガンマ線過剰の解釈にどのように影響するか。

主な発見

• 115個のパルサーの積み重ね解析において、50 GeV以上の顕著な累積的放射は検出されず、どのエネルギーチャンクに対しても過剰は観測されなかった。
• 全パルサー集団からの平均放射束縁は、56–100 GeVエネルギー帯でカブリックパルサーの放射束縁の7%未満に制限される。
• 若年パルサーとミリ秒パルサーの積み重ねSEDは、パワー則に従う部分とサブ指数的カットオフの組み合わせに一致しており、最良適合のb値はそれぞれ0.59 ± 0.02および0.7 ± 0.15であった。
• 最高エネルギーのスペクトル点は、最良適合のサブ指数的カットオフモデルに対して約2.4σの上側に位置しているが、これは非指数的放射の強力な証拠とは言えない。
• 本積み重ね解析からの放射束縁制限は、2番目のフェルミ-LATパルサー・カタログにおける個々のパルサーの最良限界値と比較して、56–100 GeV帯で約3倍低い。
• 結果は、数個の明るいVHEパルサー（例：カブリックパルサーに類似）や数十個の明るさが低いパルサーの存在を完全には除外しないが、集団全体の平均放射束縁を制限している。