[論文レビュー] Search for VHE signals from microquarsars with MAGIC

R. Zanin, Takayuki Sayto+7 more|arXiv (Cornell University)|Oct 7, 2011

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、マジック望遠鏡を用いて、非常に高エネルギー（VHE）ガンマ線放射からの包括的な探索を、マイクロクェーサーに対して実施した。スタンドアロンおよびステレオスコピック観測モードを併用したが、サイグヌスX-3、サイグヌスX-1、スコーピウスX-1、およびSS 433の複数のスペクトル状態およびフレア期間にわたる広範な観測にもかかわらず、有意なVHE信号は検出されず、特に水平枝状態におけるスコーピウスX-1に対して、放射率および発光度比の厳しい上限が設定された。

ABSTRACT

Microquasars are accreting binary systems displaying relativistic radio jets where very high energy gamma rays might be produced via Inverse Compton scattering. The detection of the microquasar Cygnus X-3 above 100 MeV by both Fermi/LAT and AGILE satellites, together with the short flares from Cygnus X-1 reported by AGILE, confirmed that this class of astrophysical objects are interesting candidates for very high energy gamma-ray observations. The stand-alone imaging atmospheric Cherenkov MAGIC telescope, and later on the recently inaugurated stereoscopic system, made a significant effort to search for signals from microquasars. This paper reviews all MAGIC results of Cygnus X-3, Cygnus X-1, Scorpius X-1, and SS 433 observations. The stand-alone MAGIC telescope observed Cygnus X-3 for almost 60 hrs from March 2006 until August 2009 in many different X-ray spectral states where a very high energy emission is predicted and also simultaneously with a flux enhancement at high energies detected by Fermi/LAT. No significant signal was found in any of the observed conditions. The MAGIC stereoscopic system pointed at the Z-type low-mass X-ray binary Scorpius X-1 in May 2010 for ~8 hrs. Simultaneous soft X-ray measurements allowed to define the X-ray spectral state of the source which could emit very-high-energy photons in the horizontal branch. MAGIC did not detect the source and put some constraints on the maximum TeV luminosity to jet power ratio. Further observations of Cygnus X-1 were also carried out with the new and twice as sensitive stereoscopic system in Autumn 2009 for a total amount of 30 hrs. Finally, we also report on SS 433 observations obtained during two periods of minimum absorption processes from the accretion disk.

研究の動機と目的

• 逆コンプトン散乱によってVHE光子を生成する可能性のある、マイクロクェーサー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。
• マイクロクェーサーの相対論的ジェットでVHE放射が生成されるという仮説を検証すること、特にハードX線および電波フレア時に注目する。
• 低質量X線連星（例：スコーピウスX-1）における、最大のTeV発光度対ジェット出力比を制約すること。
• マイクロクェーサーの多波長的挙動を調査し、VHE活動がX線スペクトル状態および高エネルギーフレアと相関するかを検討すること。
• アップグレードされたステレオスコピックマジックシステムを活用し、低吸収期に観測することで、VHE信号に対する感度を向上させること。

提案手法

• カナリア諸島のラパルマ観測所に設置されたスタンドアロンのマジック望遠鏡（17 m径）および後続のステレオスコピックマジックシステム（2台の望遠鏡）を用いて、VHEガンマ線観測を実施した。
• 2006年から2010年までのデータを用い、時間積分および1日単位の放射率解析を実施し、エネルギー閾値を50 GeVまで低下させた。
• ラターン-600の電波、フェルミ/LAT、AGILE、およびスイフト/BATからのアラートに基づいて観測をトリガーし、同時にRXTE/PCAを用いたX線モニタリングも実施した。
• RXTE/ASMおよびスイフト/BATの光度曲線を用いてX線スペクトル状態を分類し、ハード状態（HS）、ソフト状態（SS）、および水平枝状態（HB）を特定した。
• チェレンコフシャワーの再構築および背景イベントの画像および時間パラメータを用いた拒否処理のために、標準的なマジック解析ソフトウェアを適用した。
• 統計的手法を用いて、250 GeV、300 GeV、および150 GeV以上の積分放射率の95%信頼水準（CL）上限（UL）を計算した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 サイグヌスX-3は、ハードX線およびソフトX線状態、特に高エネルギーフレア時において、検出可能なVHEガンマ線放射を示すか？
• RQ2 水平枝X線状態（粒子加速が予想される）におけるスコーピウスX-1からのVHE放射が、ステレオスコピックマジックシステムで検出可能か？
• RQ3 水平枝状態におけるスコーピウスX-1の最大TeV発光度対ジェット出力比は、非検出によってどのように制限されるか？
• RQ4 2006年に観測された4.1σの信号が示唆するように、サイグヌスX-1のVHE放射はハードX線フレアと相関しているか？
• RQ5 特に中心源および「耳」として知られる領域から、低吸収の前進的位相におけるSS 433からのVHE放射が検出可能か？

主な発見

• サイグヌスX-3は、複数のX線スペクトル状態および高エネルギーフレアを含む57時間の観測において、有意なVHE信号は検出されなかった。
• 250 GeV以上の積分放射率に対する95%信頼水準上限は2.2 × 10⁻¹² 光子 cm⁻² s⁻¹であり、カーブスネビュラの1.3%に相当する。
• スコーピウスX-1は、マジックとRXTE/PCAを同時に観測した8時間の観測において有意な信号が得られず、水平枝状態では300 GeV以上の積分放射率に対する上限が3.4 × 10⁻¹² 光子 cm⁻² s⁻¹に制限された。
• スコーピウスX-1の水平枝状態における最大TeV発光度対ジェット出力比は≤ 10⁻³に制限され、これはサイグヌスX-3の限界と整合的である。
• 2006年に観測された4.1σの信号にかかわらず、ステレオスコピックシステムを用いた90時間の追加観測において、サイグヌスX-1からの有意なVHE放射は検出されなかった。
• SS 433に関しては、150 GeV以上のエネルギーで、中心源の95%信頼水準上限が3.6 × 10⁻¹² 光子 cm⁻² s⁻¹（カーブスネビュラの1%に相当）であり、『耳』領域では2.1 × 10⁻¹¹ 光子 cm⁻² s⁻¹（カーブスネビュラの5%に相当）であった。