[論文レビュー] Resolving the Crab pulsar wind nebula at teraelectronvolt energies

H. Abdalla, F. Aharonian+221 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2019

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 43被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、H.E.S.S.観測を用いて、カブス・パulsar風 Nebulaにおけるテラエレクトロンボルト（TeV）ガンマ線放射の空間的起源を解明した。その結果、52弧秒の角広がりが判明し、これはX線エネルギー帯域と比べて顕著に大きい。この結果は、最高エネルギーのガンマ線が明確に分離された拡張領域から発生していることを確認し、相対論的流れにおける粒子加速および放射メカニズムに関する重要な制約を提供する。

ABSTRACT

The Crab nebula is one of the most studied cosmic particle accelerators, shining brightly across the entire electromagnetic spectrum up to very high-energy gamma rays. It is known from radio to gamma-ray observations that the nebula is powered by a pulsar, which converts most of its rotational energy losses into a highly relativistic outflow. This outflow powers a pulsar wind nebula (PWN), a region of up to 10~light-years across, filled with relativistic electrons and positrons. These particles emit synchrotron photons in the ambient magnetic field and produce very high-energy gamma rays by Compton up-scattering of ambient low-energy photons. While the synchrotron morphology of the nebula is well established, it was up to now not known in which region the very high-energy gamma rays are emitted. Here we report that the Crab nebula has an angular extension at gamma-ray energies of 52 arcseconds (assuming a Gaussian source width), significantly larger than at X-ray energies. This result closes a gap in the multi-wavelength coverage of the nebula, revealing the emission region of the highest energy gamma rays. These gamma rays are a new probe of a previously inaccessible electron and positron energy range. We find that simulations of the electromagnetic emission reproduce our new measurement, providing a non-trivial test of our understanding of particle acceleration in the Crab nebula.

研究の動機と目的

• カブス・パulsar風 Nebula における非常に高エネルギー（VHE）ガンマ線放射の空間的起源を特定すること。
• Nebula の複雑な多波長的構造を踏まえ、TeV光子がどこで生成されているかという長年の曇りを解消すること。
• 観測された角広がりとシミュレーションを比較することで、相対論的流れにおける粒子加速および放射メカニズムの理論的モデルを検証すること。
• TeV放射をX線観測がカバーできないエネルギー範囲にまでつなげることで、カブス Nebula の理解における多波長ギャップを埋めること。

提案手法

• H.E.S.S. シェレニコフ望遠鏡アレイの高感度イメージングおよび高い角分解能を用いて、TeVガンマ線放射をマップした。
• 100%エネルギー閾値におけるNebulaの角広がりを測定し、全波幅半値（FWHM）が52弧秒であることを特定した。
• パulsar風の流出および粒子輸送をモデル化するために3次元磁気流体力学（MHD）シミュレーションを適用した。
• 終着衝撃面からNebulaに至るまでの電子および陽電子のエネルギー分布を、シンクロtron放射、逆コンプトン放射、断熱的エネルギー損失を考慮して追跡した。
• 冷却方程式 dε/dr = (1/v) × ˙ε を用いて、終着衝撃面からの距離に応じたエネルギー損失をモデル化した。
• ライン・オブ・サイト統合を用いて放射を計算し、IC放射およびシンクロtron放射にドーピラー補正とローレンツ不変分布関数を組み込んだ。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 カブス Nebula のどの部分で最高エネルギー（TeV）ガンマ線放射が生成されているか？
• RQ2 TeV放射の空間的広がりは、X線および電波波長帯域の広がりと比べてどう異なるか？
• RQ3 粒子加速および相対論的パulsar風におけるエネルギー損失のモデルによって、観測された広がりを再現できるか？
• RQ4 TeV放射の形状は、電子／陽電子のエネルギー分布および磁場構造にどのような制約を課すか？
• RQ5 放射的冷却および断熱的冷却メカニズムは、観測された放射プロファイルにどのように寄与しているか？

主な発見

• カブス Nebula は、TeVガンマ線の角広がりが52弧秒（FWHM）であり、X線エネルギー帯域と比べて顕著に大きい。
• この拡張放射は点源とは整合せず、最高エネルギー光子が空間的に解像可能な起源を持つことを確認した。
• 粒子のエネルギー損失およびMHD流出構造を組み込んだシミュレーションは、観測された広がりをうまく再現でき、モデルの妥当性を裏付けた。
• TeV放射は、10^15 eVを超えるエネルギーでピークを示す明確に異なる電子／陽電子エネルギー分布を持つ領域から発生している。
• 逆コンプトン散乱によって低エネルギー光子が相対論的電子および陽電子によって散乱され、TeV放射が支配的であるという強い証拠が得られた。
• 観測された形状は、X線観測がカバーできないエネルギー範囲において、特にパulsar風 Nebula における粒子加速および輸送を新たに探る手がかりを提供する。