[論文レビュー] Study of the VHE diffuse emission in the central 200 pc of our Galaxy with H.E.S.S

A. Lemière, R. Terrier+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 15, 2015

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、259時間のH.E.S.S.データと2次元最大尤度フィッティング手法を用いて、銀河中心部の200 pc領域における非常に高エネルギー（VHE）拡散ガンマ線放射を再分析した。約50%のリッジ放射が高密度ガストレーサーと相関していることが確認され、高密度ガスと関連しない大規模な拡散成分が存在することが判明し、パルサー風雲候補と空間的に一致する新しい源HESS J1746−285が検出された。これは、中心のブラックホールによって駆動される可能性のある径方向宇宙線勾配を示唆している。

ABSTRACT

The very high energy emission from the Galactic Center Ridge was revealed by the High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) in 2006, after subtraction of the point sources HESS J1745-290, possibly associated with Sgr A$^\star$, and HESS J1747$-$281, associated with the composite supernova remnant G0.9$+$0.1. The hard spectrum of the Ridge emission and its spatial correlation with the local gas density suggest that the emission is due to collisions of multi-TeV cosmic rays with the dense clouds of interstellar gas present in this region. The much larger H.E.S.S. dataset (250 hrs) that is now available from this region and the improved analysis method dedicated to the detection of faint emission allow us to reconsider the characterization of this gamma-ray emission in the central 200 pc of our Galaxy through a detailed morphology study. To test the various contributions to the total gamma-ray emission, we use a 2D maximum likelihood approach that allows to constrain a phenomenological model of the signal. We discuss the nature of the various components, and their implication on the cosmic-ray distribution in the central region of our Galaxy. Finally, we will reveal an additional source in this region and will discuss its potential nature.

研究の動機と目的

• より大きなデータセットと改善された解析手法を用いて、銀の中心部200 pcにおけるVHE拡散ガンマ線放射の形態と起源を再特定すること。
• 以前に示唆されたように、放射が主に宇宙線が高密度分子ガスと衝突するハードロン的過程に起因するかどうかを検証すること。
• 高密度ガストレーサーと相関しない、未解明の成分（未解明の点源や拡散ガス相など）を同定・特徴づけること。
• 中心付近の過剰成分の存在を調査し、中央分子領域における宇宙線加速の意味を検討すること。

提案手法

• 空間的分布のモデル化を可能にする2次元最大尤度フィッティング手法をガンマ線画像に適用し、正確な形態的分解を実現した。
• HAP-Frパイプライン内での多次元解析手順を用いて、信号対背景比の向上と、R68% = 0.077°の高精度な角度分解能を達成した。
• バックグラウンドは、オンソース領域と同サイズかつ同オフセットのオフソース領域を用いたリフレクテッドリージョン法により推定し、系統誤差を最小限に抑えた。
• ガンマ線分布と比較するため、CSやHCNといったガストレーサーをテンプレートとして用い、ガスとガンマ線のプロファイルの不一致を是正するため、0.8°のガウス平滑化を施した。
• 残差マップの有意性を検証し、潜在的な新規点源を検出するために、100回のポisson的実現を用いたモンテカルロシミュレーションを実施した。
• 複数の成分を含む現象論的モデルを構築した：高密度ガスと相関するリッジ成分、大規模な拡散成分、中心過剰成分、および新しい点源。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銀河中心部におけるVHE拡散ガンマ線放射は、以前に示唆されたように、宇宙線が高密度分子ガスと衝突するハードロン的過程に起因しているのだろうか？
• RQ2 高密度ガストレーサーと相関しない大規模な拡散放射成分の起源は何か？
• RQ3 銀河中心部の中心30 pc領域に、宇宙線密度の径方向勾配が存在するのか？その物理的起源は何か？
• RQ4 新たに検出された源HESS J1746−285は、パルサー風雲候補G0.13−0.13と物理的に関連しているのだろうか？その性質は何か？
• RQ5 未解明の点源や拡散分子ガス相は、相関しない拡散ガンマ線放射にどの程度寄与しているのか？

主な発見

• VHEリッジ放射のおよそ50%が、CSなど高密度ガストレーサーと空間的に相関しており、これはマルチTeV宇宙線が高密度ガスと衝突するハードロン的過程に起因していることを支持する。
• データを適合させるために、高密度ガストレーサーと相関しない大規模な拡散放射成分が必要であることが判明した。この成分は、未解明の点源や密度約100 cm⁻³の拡散分子ガス相に起因する可能性がある。
• Sgr A⋆から約30 pc以内の領域に中心過剰成分が検出され、径方向拡大は約14 pcであり、中心源（例：超大質量ブラックホール）によって駆動される可能性のある1/rに類似した宇宙線勾配と整合的である。
• FermiアーキュとX線パルサー風雲候補G0.13−0.13と空間的に一致する、有意水準が点源と一致する新しいガンマ線源HESS J1746−285が検出された。
• リッジ放射のスペクトル指数は2.3 ± 0.1に測定され、局所宇宙線フラックスよりも硬いスペクトルであることを示し、この領域で継続的または最近の粒子加速が進行していることを支持する。
• 100–150 pcを超える領域でガンマ線とガスのプロファイルに不一致が生じる理由は、ガス密度に0.8°のガウス平滑化を施すことによって是正され、宇宙線密度の低下とライン・オブ・スイトの物質分布の組み合わせが原因である可能性が示唆された。