[論文レビュー] TeV Gamma Rays From Galactic Center Pulsars

Dan Hooper, Ilias Cholis+1 more|arXiv (Cornell University)|May 25, 2017

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 46被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、銀河中心で観測された非常に高エネルギー（VHE）ガンマ線が、Sgr A* による陽子誘発π中間子生成とは異なり、若齢および中年期のパルサー群が生成するTeVハローに起因すると提案している。モデルでは、銀河中心付近のパルサーがそのスピンダウンエネルギーの大部分を高エネルギー電子および陽電子に変換し、逆コンプトン散乱によって周囲の光子をアップスキャッタリングすることで、広がった空間的分布を示すVHE放射を生成すると想定している。必要な中性子星形成率は490⁺⁵⁸⁰₋₃₇₀/Myrと推定され、大質量星およびX線連星系の予想と整合的である。

ABSTRACT

Measurements of the nearby pulsars Geminga and B0656+14 by the HAWC and Milagro telescopes have revealed the presence of bright TeV-emitting halos surrounding these objects. If young and middle-aged pulsars near the Galactic Center transfer a similar fraction of their energy into TeV photons, then these sources could plausibly dominate the emission that is observed by HESS and other ground-based telescopes from the innermost $\sim$$10^2$ parsecs of the Milky Way. In particular, both the spectral shape and the angular extent of this emission is consistent with TeV halos produced by a population of pulsars, although the reported correlation of this emission with the distribution of molecular gas suggests that diffuse hadronic processes also must contribute. The overall flux of this emission requires a birth rate of ~100-1000 neutron stars per Myr near the Galactic Center, in good agreement with recent estimates.

研究の動機と目的

• 非常に高エネルギー（VHE）ガンマ線放射の起源を再評価し、現在の主流とされる陽子駆動型π中間子生成モデルに挑戦すること。
• 観測されたスペクトル形状、空間的広がり、および放射度が、TeV電子および陽電子を放出するパルサー群によるものとして説明可能かどうかを調査すること。
• 周辺のパルサー（Geminga や B0656+14 など）の観測と整合性を持つパルサー起源モデルの妥当性を評価すること。
• 観測されたVHE放射を説明するための銀河中心における中性子星形成率を推定し、天体物理学的予想と比較すること。

提案手法

• 著者らは、HAWCおよびMilagroの観測データを用い、近接パルサーGemingaおよびB0656+14のTeVハローを、放射メカニズムのテンプレートとして用いる。
• パルサーが生成する高エネルギー電子および陽電子が、低エネルギー光子を逆コンプトン散乱でアップスキャッタリングする過程をモデル化し、シンクロtronおよび逆コンプトン過程によるエネルギー損失率を用いる。
• 相対論的電子冷却方程式を用いてエネルギー損失率を計算し、Thomson截面およびCMB、星光、赤外成分からの放射場密度を組み込む。
• パルサーが中心1パーセク内に形成され、ナタルキックを受けると仮定し、外向きへの移動と広がった放射の形態を再現するパルサー集団モデルを構築する。
• 一定の形成率とスピンダウンエネルギーの一部がVHEレプトンに変換されると仮定し、パルサー集団全体の積分により総VHEガンマ線放射度を計算する。
• HESSが観測した銀河中心放射のスペクトルおよび空間的広がりに一致するようにモデルを調整し、逆モデリングにより必要な形成率を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銀河中心のVHEガンマ線放射のスペクトル形状および空間的広がりは、パルサーが生成するTeV電子および陽電子による逆コンプトン放射で説明可能か？
• RQ2 パルサーがスピンダウンエネルギーの一部をVHEレプトンに変換すると仮定した場合、観測されたVHE放射度を説明するための銀河中心における中性子星形成率はどの程度か？
• RQ3 VHE放射と分子ガス分布との観測された相関関係は、パルサー起源と整合的か？それとも、ハドロニック成分を必要とするか？
• RQ4 パルサーのナタルキックは、VHE放射の空間的形態にどのように影響を及ぼすか？また、約100パーセクに達する広がりを説明できるか？
• RQ5 Sgr A* の周辺で検出されていない電波パルサーの欠如は、多くのパルサーがマグネターであるかビームが地球を向いていない場合に、高いパルサー形成率と整合することができるか？

主な発見

• 銀河中心の観測されたVHEガンマ線スペクトルおよび空間的広がりは、パルサー由来の逆コンプトン放射と整合的であり、GemingaおよびB0656+14のTeVハローのスペクトル形状と一致する。
• パルサーがスピンダウンエネルギーの7.2%から29%をVHE電子および陽電子に変換している必要があると推定され、これは近接パルサーの観測に基づくものである。
• 観測された放射度を説明するための総中性子星形成率は490⁺⁵⁸⁰₋₃₇₀/Myrと推定され、大質量星および低質量X線連星系からの理論的予想と整合的である。
• 放射の空間的広がりは、ナタルキックによるパルサーの外向き移動によって自然に説明可能であり、VHEレプトンの源が銀河中心から離れていることに対応する。
• モデルでは、約25～190個のパルサーが地球方向を向いたビームを持つと予測され、将来的な電波調査で検出可能である。
• ハドロニック成分が寄与してもモデルは成立し続ける。観測された分子ガスとの相関は、ガスとパルサーが同じ場所に存在するための共存関係によるものであり、直接的な因果関係ではない。