[論文レビュー] Searching for $γ$-ray signature in WHSP blazars: Fermi-LAT detection of 150 excess signal in the 0.3-500 GeV band

B. Arsioli, Yu‐Ling Chang|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2016

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 61被引用数 16

ひとこと要約

本研究では、Fermi-LATカタログに未検出の400個の高シンクロトロンピーク（HSP）ブレーザー（2WHSPカタログより）を対象として、標的的尤度解析を実施し、$γ$-線放射を探索した。150個の$γ$-線過剰信号を検出（うち85個はTS > 25）、特に高エネルギー領域（100–200 GeV）で、銀河間等方的$γ$-線背景（IGRB）の顕著な割合を解明し、弱い$γ$-線ブレーザーのための1BIGBカタログを提案した。

ABSTRACT

A direct search of $γ$-ray emission centered on multi-frequency selected candidates is a valuable complementary approach to the standard search adopted in current $γ$-ray Fermi-LAT catalogs. Our candidates are part of the 2WHSP sample, that was assembled with the aim of providing targets for Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes (IACT), and is currently the largest set of high synchrotron peaked (HSP) blazars. We perform a likelihood analysis with the Fermi Science Tools using positions from 400 2WHSP blazars as seeds of tentative $γ$-ray sources. This enabled us to detect 150 $γ$-ray excess signals that have not yet been reported in previous $γ$-ray catalogs (1FGL, 2FGL, and 3FGL). By identifying new sources, we solve a fraction of the extragalactic isotropic $γ$-ray background (IGRB) composition, improving the description of the $γ$-ray sky. Our analysis considers the 0.3-500 GeV energy band, integrating over 7.2 yrs of Fermi-LAT observation and making use of the Pass 8 data release. Within the 150 2WHSPs that showed excess $γ$-ray signature: 85 are high-significance detections with test statistic (TS)$>$25, and 65 are lower-significance detections with TS between 10 to 25. We study the $γ$-ray photon spectral index distribution, the likelihood of detection according to the synchrotron peak brightness, and plot the measured $γ$-ray LogN-LogS of HSP blazars, also discussing the portion of the IGRB that has been resolved by this work. We report on four cases where we could resolve source confusion and find counterparts for unassociated 3FGL sources with the help of high-energy TS maps together with multi-frequency data. The 150 new $γ$-ray sources are named with the acronym 1BIGB for the first version of the Brazil ICRANet Gamma-ray Blazar catalog, in reference to the cooperation agreement supporting this work.

研究の動機と目的

• 1FGL、2FGL、3FGLカタログに存在しない高シンクロトロンピーク（HSP）ブレーザーからの、以前に検出されていなかった$γ$-線放射の検出を目的とする。
• 弱い$γ$-線源の解明を進めることで、銀河間等方的$γ$-線背景（IGRB）の特徴付けを改善することを目的とする。
• 複数周波数の位置をシードとして用いる標的的探索手法を検証し、ブラインドサーベイを上回る感度を向上させることを目的とする。
• 高エネルギーTSマップと複数周波数データを用いて、関連付けられていない3FGL$γ$-線源の混在を解消し、対応源を同定することを目的とする。

提案手法

• Fermi Science Toolsを用いて、400個の2WHSPブレーザー位置をシード源として、0.3–500 GeVエネルギー帯に焦点を当てた尤度解析を実施する。
• 感度を最大化しバックグラウンド汚染を低減するため、7.2年分のFermi-LATのPass 8データを適用する。
• 検出された源のスペクトルを0.3–500 GeV帯でパワー・ロウモデルで特徴付け、有意性を評価するためのテスト統計量（TS）を計算する。
• エネルギー依存性のあるテスト統計量（TS）マップを生成し、特にPSF効果が顕著な硬スペクトル源の位置特定を改善する。
• 高エネルギーTSマップと複数周波数データ（電波、赤外、X線）を照合し、源の混在を解消し、対応源を同定する。
• シンクロトロンピークの輝度に基づく性能指標を用いて、検出の可能性とスペクトルの一貫性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 既知のHSPブレーザー位置を用いた標的的$γ$-線源検出は、ブラインドなFermi-LATカタログを上回る感度を実現できるか？
• RQ2 HSPブレーザー集団に存在する弱い$γ$-線源を検出することで、銀河間等方的$γ$-線背景（IGRB）のどの程度が解明されるか？
• RQ3 高エネルギーTSマップと複数周波数データは、源の混在をどの程度効果的に解消し、位置特定を改善できるか？
• RQ4 明るいシンクロトロンピークを持つHSPブレーザーは、高エネルギーIGRB（例：100–200 GeV）にどの程度寄与しているか？
• RQ5 事前に関連付けられていなかった3FGL$γ$-線源は、標的的解析と多波長データを用いてHSPブレーザーと結びつけることができるか？

主な発見

• 400個の2WHSPブレーザーをシード源として用いた結果、合計150個の$γ$-線過剰信号が検出された。うち85個はテスト統計量（TS）> 25、65個はTSが10～25の間であった。
• 150個の新しい$γ$-線源は、1BIGB（ブラジルICRANet$γ$-線ブレーザーカタログの初版）としてカタログ化され、$γ$-線天文学の新たなリソースを提供した。
• 本研究では、100–200 GeVエネルギー帯でIGRBの6–8%を解明した。主に弱いHSPブレーザーに起因する。
• 高エネルギーTSマップ（E > 3 GeV）により、源の位置特定が最大6.9′向上した。これは、エネルギー依存性解析が位置不確かさの低減に有効であることを示している。
• 関連付けられていない3FGL源のうち4例が、高エネルギーTSマップと複数周波数データを用いて対応源として同定され、混在の緩和における手法の有効性が確認された。
• 検出されたHSPブレーザーのスペクトル指数分布と放射度分布から、本手法がTS ≈ 10にまで及ぶ弱い$γ$-線源関数の端末部を効果的に探査できることを示している。