[論文レビュー] Recent Observations of Supernova Remnants with VERITAS

A. J. Weinstein|arXiv (Cornell University)|Nov 9, 2011

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用数 4

ひとこと要約

VERITASは、タイコの超新星残骸（G120.1+1.4）およびG78.2+2.1に関連する拡張領域（VER J2019+407）からの非常に高エネルギー（VHE）ガンマ線放射を検出しており、これらの残骸における核子的宇宙線加速の強力な証拠を提供している。データはガンマ線の核子的起源を支持しており、X線およびガンマ線スペクトルモデリングから磁場の増幅が示唆されている。

ABSTRACT

Supernova remnants (SNRs) are widely considered the most likely source of cosmic rays below the knee ($10^{15}$ eV). Studies of GeV and TeV gamma-ray emission in the vicinity of SNRs, in combination with multi-wavelength observations, can trace and constrain the nature of the charged particle population believed to be accelerated within SNR shocks. They may also speak to the diffusion and propagation of these energetic particles and to the nature of the acceleration mechanisms involved. We report here on recent observations of SNRs with VERITAS, including the discoveries of VHE gamma-ray emission from from G120.1+1.4 (Tycho's SNR) and from the northwest shell of G78.2+2.1 (gamma-ray source VER J2019+407, which was discovered as a consequence of the VERITAS Cygnus region survey).

研究の動機と目的

• 超新星残骸からのVHEガンマ線放射を研究することで、膝エネルギー以下（約10^15 eV）の宇宙線の起源を解明すること。
• 超新星残骸からのガンマ線放射が、電子的（逆コンプトン）か核子的（パイオン崩壊）プロセスのどちらに起因するかを特定すること。
• 多波長スペクトルエネルギー分布（SED）を用いて、超新星残骸の衝撃波における磁場増幅の役割を評価すること。
• CO放射が検出されない状況下でも、拡張VHE源VER J2019+407とG78.2+2.1との関連性を明確にすること。

提案手法

• アリゾナに位置する4台の12メートル級イメージング大気チェレンコフ望遠鏡からなるVERITASは、2008年から2010年の間に100 GeV〜30 TeVのエネルギー範囲でVHEガンマ線を観測し、0.1°の角度分解能を達成した。
• 発光の形態を可視化するために、0.06°のガウスカーネルを用いてバックグラウンドを差し引いたガンマ線カウントマップを作成した。
• レプトン的および核子的放射メカニズムをモデリングするため、VERITAS、電波、X線、Fermi-LATのデータからスペクトルエネルギー分布（SED）を構築した。
• VHEスペクトルにパワー則フィットを適用した：dN/dE = C(E/3.42 TeV)^(-Γ)，ここでΓ = 1.95 ± 0.51（統計）± 0.30（系誤差）。
• シンクロtron放射の薄さおよび逆コンプトンモデリングから磁場強度を推定し、磁場増幅の制約を設定した。
• X線、電波、光学[S ii]、およびH iの特徴との空間的一致を分析し、放射メカニズムおよび標的物質の性質を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 タイコのSNRからのVHEガンマ線放射は、核子的か電子的起源と整合的か？
• RQ2 ガンマ線およびX線データから推定されるタイコのSNR衝撃波領域における磁場増幅の役割は何か？
• RQ3 分子雲が存在しない状況下で、VER J2019+407からの拡張VHE放射は中性水素との核子的相互作用に起因するのか？
• RQ4 G78.2+2.1におけるVHE放射の空間的形状は、電波、X線、および光学的特徴とどのように相関するか？
• RQ5 CO放射が検出されない状況下で、VER J2019+407の観測されたガンマ線放射はH iガスとの核子的相互作用で説明可能か？

主な発見

• VERITASは、タイコのSNRからのVHEガンマ線放射を検出し、1 TeV以上の積分フラックスは1.87 ± 0.51 × 10⁻¹³ cm⁻²s⁻¹であり、カーブ・ネビュラの約0.9％に相当する。
• タイコのSNRのTeVスペクトルは、ガンマ線指数Γ = 1.95 ± 0.51（統計）± 0.30（系誤差）のパワー則でよくフィットしており、核子的プロセスに一致する硬いスペクトルを示している。
• タイコのSNRの全バンドSEDは、ガンマ線の核子的起源を支持しており、必要な磁場強度は約230 μGに達し、通常のISM磁場を著しく上回っている。
• 拡張VHE源VER J2019+407は、G78.2+2.1の西北側シェルと空間的に相関しており、弧を描く電波構造に従っており、SNR衝撃波からの放射を示唆している。
• VER J2019+407の位置でCO放射が検出されないことは、分子雲起源を排除するが、H i密度（1–10 cm⁻³）はパイオン崩壊による核子的起源と整合的である。
• VER J2019+407では非熱的X線成分は検出されず、これは電子的起源を否定し、核子的状況をさらに支持する。