[論文レビュー] TeV Observations of the Galactic Plane with HAWC and Joint Analysis of GeV Data from Fermi

H. Zhou, C. M. Hui+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 7, 2015

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 16被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、部分的に構築されたHAWC観測所を用いた銀河平面領域におけるTeVガンマ線観測と、Fermi-LAT GeVデータの共同尤度解析を組み合わせたものである。10個の源候補が3σ以上の有意性で特定され、そのうち8つが一時的なTeV関連性を示しており、多機器尤度フレームワークを用いて源の混同を解消し、銀河中心領域の放射メカニズムを解明した。

ABSTRACT

A number of Galactic sources emit GeV-TeV gamma rays that are produced through leptonic and/or hadronic mechanisms. Spectral analysis in this energy range is crucial in order to understand the emission mechanisms. The HAWC Gamma-Ray Observatory, with a large field of view and location at $19^\circ$ N latitude, is surveying the Galactic Plane from high Galactic longitudes down to near the Galactic Center. Data taken with partially-constructed HAWC array in 2013-2014 exhibit TeV gamma-ray emission along the Galactic Plane. A high-level analysis likelihood framework for HAWC, also presented at this meeting, has been developed concurrently with the Multi-Mission Maximum Likelihood (3ML) architecture to deconvolve the Galactic sources and to perform multi-instrument analysis. It has been tested on early HAWC data and the same method will be applied on HAWC data with the full array. I will present preliminary results on Galactic sources from TeV observations with HAWC and from joint analysis on Fermi and HAWC data in GeV-TeV energy range.

研究の動機と目的

• 部分的に構築されたアレイからのHAWCデータを用いて、銀河中心領域のTeVガンマ線源を特定・特徴付けること。
• 尤度に基づく源のデコンボリューション手法を用いて、銀河中心付近の高源密度領域における源の混同を解消すること。
• Fermi-LAT GeVデータとHAWC TeVデータの共同尤度解析を実施し、GeV-TeVエネルギー範囲にわたる源スペクトルを制約すること。
• 候補源の多エネルギースペクトル的挙動を比較することで、レプチオン的およびハドロン的放射メカニズムを区別すること。
• 反復的源数カウントを含む多源尤度モデルを適用することで、角分解能が限られる領域における源の局在化とフラックス推定を改善すること。

提案手法

• HAWCおよびFermi-LATデータを共同で解析する高水準尤度フレームワークを、Multi-Mission Maximum Likelihood（3ML）アーキテクチャに基づいて用いる。
• 最大尤度フィットを用いて源の位置とフラックスを再構築し、信号をλ_ij = b_ij + Σγ_ijkとしてモデル化する。ここでγ_ijkは源kからの期待されるガンマ線イベントレートを表す。
• 背景のみのモデルと源モデルの適合を比較するための尤度比統計量（TS = -2(logL₀ - logL₁)）を用い、有意性はウィルクスの定理に従って導出する。
• 反復的尤度比検定を用いて各領域（ROI）における独立な源の数を特定し、ΔTS < 15（自由度3の下で約3σ相当）に達するまで繰り返す。
• HEALPIXピクセル化（0.11°スケール）と2時間間隔での直接統合による背景推定を用い、源検出感度を向上させる。
• 初期のHAWC-111データ（2013–2014年、108–134個のWCD）を用いて手法を検証し、事前に選択された5つのROIに適用した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 部分的に構築されたHAWCアレイが観測した銀河中心領域（l ∈ [15°, 50°], b ∈ [-4°, 4°]）に、いくつの明確なTeVガンマ線源が存在するか？
• RQ2 角分解能が限られる状況下でも、尤度に基づく多源フィッティングフレームワークを用いることで、銀河平面における源の混同をどの程度軽減できるか？
• RQ3 Fermi-LAT 3FGLおよびHAWC-111データで同定された源について、GeVとTeVの放射スペクトルの一貫性はいかほどか？
• RQ4 同定されたTeV源候補のうち、どの程度がGeV源と空間的に一致しており、これにより源関連性にどのような示唆が得られるか？
• RQ5 Fermi-LATとHAWCデータの共同解析により、多エネルギースペクトルモデリングを用いて、銀河源の放射メカニズム（レプチオン的対比ハドロン的）を制約できるか？

主な発見

• 283日間の観測によるHAWC-111データセットを用いて、後試行有意性が3σを超える10個の源候補が同定された。
• 10個の源候補のうち8つが一時的なTeV関連性を示しており、Fermi-LAT 3FGLカタログ内のGeV源とHAWC検出結果との間で空間的一致が観察された。
• 尤度フレームワークにより、高源密度領域における重複する源信号が効果的にデコンボリューションされ、角分解能が限られる中でも源数カウントとフラックス推定が可能になった。
• 3MLフレームワークを用いた共同尤度解析により、GeV-TeVスペクトルデータが一貫したモデル化が可能になった。
• 反復的源数カウント手順により、初期の有意性マップで発光が重複していた領域において複数の源が同定され、多源モデリングの必要性が裏付けられた。
• 本手法は95％の稼働率を達成し、15 kHzの空気シャワーイベントを検出できた。背景排除はf-bin別カットを用いて最適化され、カブリスネバラの有意性が最大化された。