[論文レビュー] Search for extended gamma ray emission in Markarian 421 using VERITAS observations

Mateo Fernandez Alonso|arXiv (Cornell University)|Jun 18, 2014

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、VERITASがマーカイニアン421の静穏状態で観測したデータを用い、電磁カスケードが銀河間背景光と相互作用する高エネルギー光子によって引き起こされるガンマ線ハローの延長放射を探索した。発光期間のデータと仮定されたハローなしの角分布を比較したところ、カイ二乗検定による有意差は認められず、0° ≤ θ ≤ 0.1°の範囲における延長放射の99%信頼区間上限は、カブスネビュラの発光量の<8%（C.U.）であった。

ABSTRACT

Very high energy (VHE: &gt;100 GeV) gamma rays coming from AGN can pair-produce on the intergalactic background light generating an electromagnetic cascade. If the Intergalactic Magnetic Field (IGMF) is sufficiently strong, this cascade may result in an extended isotropic emission of photons around the source, or halo. Using VERITAS observations of the blazar Markarian 421, we search for extended emission by comparing the source angular distribution ($θ^2$) from a quiescent period with one coming from a flare period, which can be considered as halo-free. $χ^2$ test showed no significant statistical differences between the samples, suggesting that the effect is either non-existent or too weak to be detected. We calculated upper limits for the extended flux considering different angle ranges, the most stringent being &lt;8% of the Crab Nebulae flux (C.U), in the range $0°\leq θ \leq 0.1°$ .

研究の動機と目的

• 電磁カスケードが銀河間背景光と相互作用する超高エネルギー（VHE）光子によって引き起こされる、マーカイニアン421周辺の延長ガンマ線ハローの存在を検証すること。
• 十分に強い銀河間磁場（IGMF）が、源の周囲に検出可能な等方的ハローを生成できるかどうかを調査すること。
• 静穏状態のデータと、ハローなしと仮定された発光期間のデータを比較することで、延長放射の厳密な上限を設定すること。
• 間接的検出によるカスケード誘発ハローを用いて、IGMF強度やEBL密度といった宇宙論的パラメータを制約すること。

提案手法

• マーカイニアン421の静穏期間（9.6時間）と発光期間（8.6時間）のVERITAS観測データを使用した。
• 発光期間データがハローなしの点源分布を表すと仮定し、両データセットからスケーリングされた過剰θ²分布を構築した。
• カイ二乗検定を用いて、静穏状態と発光状態のθ²分布の形状を比較した。検定統計量は、χ² = Σ[(N_i_NOflare - B_i_NOflare) - F*(N_i_flare - B_i_flare)]² / [N_i_NOflare + B_i_NOflare + F²*(N_i_flare + B_i_flare)] で定義された。
• 異なるθ²範囲における統計的有意性を評価するために、自由度修正カイ二乗（χ²_ν）を用い、95%および99%信頼水準の臨界値と比較した。
• 99%信頼水準でヘレンの手法を用いて延長放射の上限を計算し、5σ検出閾値に対応した。
• 0° ≤ θ ≤ 0.1°や0.1° ≤ θ ≤ 0.2°といった異なる角範囲におけるカブスネビュラ発光量（C.U.）単位の上限を報告した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強い銀河間磁場が存在する中で、電磁カスケードによって引き起こされるマーカイニアン421周辺の統計的に有意な延長ガンマ線放射（ハロー）が存在するか？
• RQ2 静穏状態における過剰ガンマ線の角分布は、ハローなしと仮定された発光状態のものと顕著に異なるか？
• RQ3 特定の角範囲内での延長放射の発光量の上限は何か？
• RQ4 これらの結果は、銀河間磁場の強度や宇宙背景光の密度をどのように制約するか？

主な発見

• すべてのテストされた角範囲において、95%および99%信頼水準の臨界値を下回る自由度修正カイ二乗値が得られ、静穏状態と発光状態のθ²分布間に統計的に有意な差は認められなかった。
• 延長放射に対する最も厳しい上限は、0° ≤ θ ≤ 0.1°の範囲でカブスネビュラ発光量の<8%（C.U.）であり、誤差は小さいが1.30 × 10⁻⁶ erg·m⁻²·s⁻¹に相当する。
• 0.1° ≤ θ ≤ 0.2°の範囲における延長放射の上限は、99%信頼水準でカブスネビュラ発光量の<11%（C.U.）であった。
• これらの上限は、Aleksićら（2010年）の結果と整合的であり、VERITASのハロー探索における手法の妥当性と感度を裏付けた。
• 検出可能なハローが存在しないことは、銀河間磁場がカスケード効果を顕著に生じさせるほど強くない、あるいは他の天体物理学的要因によってカスケードが抑制されている可能性を示唆している。
• これらの結果は、BlazarにおけるVHEガンマ線カスケードから生じる延長放射を予測するモデルを制約し、IGMF強度やEBL密度といった宇宙論的パラメータの測定に向けた広範な取り組みに貢献している。