[論文レビュー] Status and recent results from H.E.S.S

Berrie Giebels, Collaboration, H. E. S. S.|arXiv (Cornell University)|Mar 12, 2013

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 5被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、H.E.S.S. チェレンコフ望遠鏡アレイの状態と最近の科学的成果を報告し、28メートルのH.E.S.S. II望遠鏡の追加とH.E.S.S. Iのアップグレードに伴う感度向上を強調している。主な結果には、W49B や連星系のような銀河系内源からのVHEガンマ線放射の検出、銀河中心におけるダークマターの散乱断面積への制約、およびPKS 2155-304の観測を用いた量子重力効果と宇宙背景光（EBL）への改善された制約が含まれる。

ABSTRACT

The H.E.S.S. instrument consists of four 13 m (H.E.S.S. I) and one 28 m diameter (H.E.S.S. II) Atmospheric Cherenkov Telescopes (ACTs) located in the Khomas Highland in Namibia, 1800 m above sea level. The H.E.S.S. I array began operations in 2003, and has achieved recent scientific results allowed by the synergy with the Fermi-LAT, some of which are outlined here. The H.E.S.S. II telescope started operations in July 2012, and is expected to provide its first scientific results by the end of the year. Since the inauguration of the first telescope in September 2002, H.E.S.S. has taken 9415 hours of data, with 4234 hours in the band of the Galaxy and 5181 hours in extragalactic space, discovered over 80 new very high energy (VHE; E > 100 GeV) γ-ray sources (according to TeVCat listings), among them more than 60 galactic objects and 19 extragalactic sources.

研究の動機と目的

• H.E.S.S. チェレンコフ望遠鏡アレイの運用状況と科学的業績を、H.E.S.S. II の統合およびH.E.S.S. I のアップグレード後に報告すること。
• 特にパルサー風超新星残骸と超新星残骸を含む、銀河平面における非常に高エネルギー（VHE；E > 100 GeV）ガンマ線源の性質を調査すること。
• ダークマターの散乱断面積と光速度不変性の破れに起因する光子エネルギー依存時間遅れを用いた、奇妙な物理現象の探査。
• 遠方のAGNにおけるVHEガンマ線吸収を用いて、宇宙背景光（EBL）密度を測定し、量子重力モデルを検証すること。
• すべての5台の望遠鏡をハイブリッド運用することで、高度な再構築技術を用いてVHEガンマ線検出の感度とエネルギー閾値を向上させること。

提案手法

• ネミビアに位置する4台の13メートル（H.E.S.S. I）および1台の28メートル（H.E.S.S. II）の大気チェレンコフ望遠鏡を用い、広大な空気シャワーに伴うチェレンコフ光を検出することでVHEガンマ線を観測する。
• すべてのピクセルを用いたカスケードフィット、3次元画像特徴化、およびブーストド・意思決定ツリーなどの多変量手法を用いた高度なシャワー再構築技術を採用し、フラックス感度を約2倍に向上させた。
• すべての5台の望遠鏡を用いたハイブリッドモード運用を実施し、角分解能を向上させ、背景を低減することで、より良い源の局在化と感度向上を実現した。
• ステレオスコピックイメージングと2年間にわたって実施されたミラー再コーティングによる光学効率の向上を組み合わせ、有効集光面積と信号対雑音比を増加させた。
• GeVからTeVエネルギーにわたるスペクトルカバーを拡張し、相互校正を実施するため、Fermi-LATとH.E.S.S.の同時観測を用いた。
• PKS 2155-304 などのフレアAGNの光曲線に対して、イベントごとの尤度フィッティングを適用し、量子重力モデルの検証に用いるために光子エネルギー依存時間遅れを制約した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 W49B 超新星残骸からのVHEガンマ線放射の性質は何か？ これは荷電粒子の衝突による起源を支持するか？
• RQ2 PSR B1259-63 および 1FGLJ1018-5856 におけるVHEおよびGeVガンマ線放射は、どのように比較されるか？ これにより、連星系内での粒子加速の仕組みがどのように明らかになるか？
• RQ3 H.E.S.S. による銀河中心領域（1.5°）の観測から、WIMPの散乱断面積にどのような制約を課せられるか？
• RQ4 PKS 2155-304 のようなフレアAGNからのVHE光子の到着時間遅れを用いて、量子重力のエネルギースケールに制約を設けられるか？
• RQ5 VHEガンマ線が宇宙背景光（EBL）によって吸収されることを用いて、0.1–10 μm波長域におけるEBL密度をどれほど直接的に測定できるか？

主な発見

• H.E.S.S. はW49BからのVHEガンマ線放射を検出しており、GeVとTeVスペクトルの滑らかな接続が観測された。高エネルギーGeV放射度と密度の高い分子物質との相互作用の兆候から、これは荷電粒子反応起源を支持する。
• H.E.S.S. 銀河平面調査により、80個以上の新しいVHE源が特定され、そのうち最も多くがパルサー風超新星残骸であった。HESSJ1018-586 は、Fermi-LAT で観測された連星源 1FGLJ1018-5856 のVHE対応源候補と特定され、エネルギー指数 Γ = 2.7 ± 0.5 を示した。
• WIMP散乱断面積の観測において、銀河中心領域に顕著な過剰放射は観測されず、NFWおよびEinastoプロファイルの両方において、質量が約300 GeVから約10 TeVの範囲で、現在最も厳しい制約が得られた。
• PKS 2155-304 の極端なフレア（85分間に8000件以上のイベント）から、光子分散関係の線形項における量子重力エネルギースケールに対する95%信頼区間の下限として 2.1 × 10^18 GeV が得られた。
• H.E.S.S. は、VHEガンマ線吸収を用いて、宇宙背景光（EBL）の直接検出を初めて達成した。その結果は、重複エネルギー範囲におけるFermi-LAT 測定と非常に良好に一致した。
• H.E.S.S. II の追加とH.E.S.S. I のアップグレードにより、感度が約2倍に向上し、エネルギー閾値が低下した。これにより、パルス放射やガンマ線バーストのような一時的現象の検出がより可能になった。