[論文レビュー] Study of the High Energy Gamma-ray Emission from the Crab Pulsar with the MAGIC telescope and Fermi-LAT

T. Saito|arXiv (Cornell University)|May 17, 2011

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 184被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、MAGIC望遠鏡およびFermi-LATのデータを用いて、パulsar発光の内磁気圏モデルと外磁気圏モデルを区別するため、カブスパルサーの高エネルギーγ線スペクトルを調査した。解析の結果、100 GeVまでべき乗則スペクトルが観測され、著しいカットオフは認められず、内磁気圏モデルは強く否定された。一方、Fermi-LATのデータは数GeVで指数的カットオフを示し、外磁気圏モデルと整合的だが、単純なバージョンとは整合しない。これは、電子エネルギー分布を修正する必要があることを示唆している。

ABSTRACT

My thesis deals with a fundamental question of high energy gamma-ray astronomy. Namely, I studied the cut-off shape of the Crab pulsar spectrum to distinguish between the leading scenarios for the pulsar models. Pulsars are celestial objects, which emit periodic pulsed electromagnetic radiation (pulsation) from radio to high energy gamma-rays. Two major scenarios evolved in past 40 years to explain the pulsation mechanism: the inner magnetosphere scenario and the outer magnetosphere scenario. Both scenarios predict a high energy cut-off in the gamma-ray energy spectrum, but with different cut-off sharpness. An exponential cut-off is expected for the outer magnetosphere scenario while a super-exponential cut-off is predicted for the inner magnetosphere scenario. Therefore, one of the best ways to confirm or rule out these scenarios is to measure the energy spectrum of a pulsar at around the cut-off energy, i.e., at energies between a few GeV and a few tens of GeV. All past attempts (>10) to measure pulsars with ground-based instruments have failed while satellite-borne detectors had a too small area to study detailed spectra in the GeV domain. In this thesis, the gamma-ray emission at around the cut-off energy from the Crab pulsar is studied with the MAGIC telescope. The public data of the satellite-borne gamma-ray detector, Fermi-LAT, are also analyzed in order to discuss the MAGIC observation results in comparison with the adjacent energy band.

研究の動機と目的

• 競合するパルサー発光モデルを区別するため、カブスパルサースペクトルの高エネルギーγ線カットオフの形状を特定すること。
• 高エネルギー観測データを用いて、内磁気圏シナリオ（超指数的カットオフ）と外磁気圏シナリオ（指数的カットオフ）の予測を検証すること。
• 地上ベースのMAGICと人工衛星ベースのFermi-LAT観測結果を統合し、スペクトルカバレッジとモデル識別を向上させること。
• 磁気圏構造を露呈する可能性のあるエネルギー依存性を持つパルスプロファイルの特徴を調査すること。
• 今後のCtAのような機器が100 GeV未満のパルサー観測において、感度をどのように向上させられるかを評価すること。

提案手法

• 100 MeVから30 GeVの範囲の公開Fermi-LATデータを分析し、パルサーのエネルギースペクトルをモデル化すること。
• MAGIC望遠鏡に新規のSUMトリガー方式を導入し、エネルギー閾値を50 GeVから25 GeVに低下させ、高エネルギー域での感度を向上させること。
• 25 GeVから100 GeVのMAGICデータを単純なべき乗則モデルでスペクトルフィッティングすること。
• 1–100 GeVの範囲でMAGICとFermi-LATのエネルギースペクトルを比較し、標準モデルとの不一致を特定すること。
• 2台のMAGIC望遠鏡によるステレオ観測を用いてシャワー最大高さを再構築し、低エネルギー域での核子/γ線分離を向上させること。
• 将来のパルサー観測を想定したCherenkov Telescope Array（CTA）の設計を評価し、エネルギー閾値と有効面積のスケーリングに焦点を当てる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 カブスパルサーの高エネルギーγ線スペクトルは、内磁気圏モデルが予測するように、超指数的カットオフを示すか？
• RQ2 観測されたスペクトルは、外磁気圏モデルが予想する指数的カットオフと整合的か？
• RQ3 MAGICとFermi-LATの統合データは、標準的な内磁気圏および外磁気圏シナリオを除外または確認できるか？
• RQ4 エネルギー依存性を持つパルスプロファイルに、パルサー磁気圏内の微細構造を示唆する特徴は存在するか？
• RQ5 CtAのような将来の機器は、100 GeV未満のパルサー研究における感度とエネルギー分解能をどの程度向上できるか？

主な発見

• MAGICデータは25 GeVから100 GeVの範囲で著しいカットオフのないべき乗則スペクトルを示し、内磁気圏モデルが予測する超指数的カットオフを強く否定した。
• 100 MeVから30 GeVのFermi-LATデータは、数GeVで指数的カットオフを示すべき乗則でよく記述され、外磁気圏モデルと整合的である。
• 両機器の統合データは、スペクトルが100 GeVまで延びており急激な低下がないことから、標準的な内磁気圏モデルを強く否定した。
• 統合データと標準的な外磁気圏モデルとの乖離は、発光領域における電子エネルギー分布を修正する必要があることを示唆しており、観測を再現するためにはその修正が必要である。
• エネルギー依存性を持つパルスプロファイル解析により、パルス端縁およびピーク位相に顕著な変動が観測され、パルサー磁気圏内に微細構造が存在する可能性が示唆された。
• MAGICのステレオ観測モードにより、再構築されたシャワー最大高さを用いることで、特に低エネルギー域でのミューオン識別および核子/γ線分離が向上した。