[論文レビュー] Search for TeV emission from the Fermi Bubbles at low Galactic latitudes with H.E.S.S. inner Galaxy survey observations

E. Moulin, Alessandro Montanari+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 23, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 13被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、2014年から2020年までのインナーギラックスサーベイのデータを用いて、低銀緯度におけるフェルミバブルの基部からのTeVガンマ線放射の最初のH.E.S.S.探索を実施する。546時間の高品質な観測にもかかわらず、顕著な過剰は検出されず、1 TeVにおける95%信頼水準の上限は約2×10⁻⁹ TeV⁻¹cm⁻²sr⁻¹に抑えられ、バブルの起源に関するバリオン的およびレプトン的モデルが制約される。

ABSTRACT

The Fermi Bubbles were discovered about a decade ago in the {\it Fermi}-LAT data as a double-lobe structure extending up to 55 deg. in Galactic latitudes above and below the Galactic Center. At the moment their origin is still unknown. The H.E.S.S. collaboration is currently performing the first ever survey in TeV gamma rays of the Milky Way inner region: the Inner Galaxy Survey. This survey is intended to achieve the best sensitivity to faint and diffuse emissions in a region of several degrees around the Galactic Centre. It provides an unprecedented sensitivity to dark matter signals, new diffuse emissions, and TeV outflows from the Galactic Centre. Understanding the properties of the Fermi Bubbles at low Galactic latitudes will provide key insights into their origin. We search for TeV emission at the base of the Fermi Bubbles using low-latitude spatial templates. The first results obtained with the 2014-2020 H.E.S.S. observations will be reported.

研究の動機と目的

• H.E.S.S.データを用いて、低銀緯度におけるフェルミバブルの基部からの非常に高エネルギー（VHE）ガンマ線放射を探索すること。
• TeV観測を用いてバリオン的およびレプトン的放射モデルを検証することで、フェルミバブルの起源を解明すること。
• H.E.S.S.インナーギラックスサーベイの感度を活用し、銀河中心付近の微弱で拡散的なVHE信号を検出すること。
• フェルミ-LATが1 TeVまでで観測した硬いスペクトル指数が、VHEバンドでも継続するかどうかを評価すること。
• 過去のAGN活動や銀河中心近傍の星形成を含むモデルに対して、重要な制約を提供すること。

提案手法

• 分析には、2014年から2020年までの546時間の高品質なH.E.S.S.観測データを用い、天の赤道角40°未満の範囲でインナーギラックスサーベイによって収集されたものである。
• フェルミ-LATの表面輝度が8.5 sr⁻¹を超える領域を、観測領域（ROI）として定義し、座標はl ≈ -1°, b ≈ 2°に中心を置く。
• ラン単位で反射背景法を適用し、対称的なOFF領域における背景を推定することで、同じ立体角と受入率を確保する。
• 信号領域および背景領域における近接するVHE源による汚染を避けるために、除外領域（マスク）を適用する。
• エネルギー微分フラックスの95%信頼水準における上限を、0.2デカドのエネルギーチャンクごとに計算し、パワー則指数Γ = 1.9および20%の系統的不確実性を仮定する。
• フェルミ-LATデータと統合的なスペクトルモデリングを実施し、10 GeV以上のエネルギーでフェルミ-LATの結果と整合するパワー則スペクトルを仮定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フェルミバブルの放射が、1 TeVまでに至るフェルミ-LATの硬いスペクトルが示唆するように、TeVエネルギー領域まで延長されているか？
• RQ2 バブル基部で観測されたガンマ線スペクトルは、バリオン的またはレプトン的過程によって説明可能か？
• RQ3 AGNに類似した噴出と星形成駆動の噴出の区別に役立つ、バブル基部におけるVHE成分の証拠はあるか？
• RQ4 H.E.S.S.は、特にフェルミバブルの基部近辺における銀河中心領域からの拡散的VHE放射にどの程度感度を持つのか？
• RQ5 H.E.S.S.の上限は、フェルミバブルの固有スペクトル形状および放射メカニズムにどのような制約を課すか？

主な発見

• H.E.S.S.の観測領域において、顕著なガンマ線過剰は検出されず、フェルミバブルの基部からの統計的に有意なTeV放射がないことが示唆される。
• 1 TeVにおける95%信頼水準の微分フラックス上限は約2×10⁻⁹ TeV⁻¹cm⁻²sr⁻¹であり、強いVHE成分がないことと整合的である。
• 上限は、スペクトル指数Γ = 1.9のパワー則スペクトルを仮定して計算されており、高エネルギー領域におけるフェルミ-LATのスペクトル指数と一致する。
• フラックス校正における20%の系統的不確実性を考慮に入れ、信頼性の高い上限推定がなされている。
• 結果は、フェルミ-LATスペクトルが1 TeVまで硬いままであるが、VHE成分の確認までは得られていない。
• 本研究はバリオン的モデルに対してきびしい制約を課し、TeVエネルギー領域におけるバブル媒体内での強い陽子-陽子衝突を否定する。