[論文レビュー] The population point of view on the evolution of TeV pulsar wind nebulae

S. Klepser, Y. A. Gallant+2 more|Repository KITopen (Karlsruhe Institute of Technology)|Jan 1, 2017

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

ひとこと要約

本研究は、H.E.S.S.銀河平面サーベイおよび文献資料を用いて、TeVパルサー風線画 Nebulae (PWNe) の集団を分析し、TeV放射能とパルサーの回転減速パワーの間でべき乗則的相関 ($L_{1-10\,\text{TeV}} \sim \dot{E}^{0.58 \pm 0.21}$) を発見した。結果は、PWNeが時間とともに拡張し、明るさが減少することを示しており、フラックス上限から、$\sim 10^{36}\,\text{erg\,s}^{-1}$ 未満のパルサーでは検出が不可能であると示唆している。また、パルサー-PWNのずれは、固有運動によるものよりも、非対称的な超新星ショック波の圧縮によるものである可能性が高い。

ABSTRACT

To investigate the nature and evolution of TeV pulsar wind nebulae, we examine the firmly identified PWNe in the H.E.S.S. Galactic Plane Survey, along with the few other known detections from the literature, as well as the upper limits extracted from the H.E.S.S survey. These data exhibit a correlation of TeV surface brightness with pulsar spin-down power. It appears to be caused by both an increase of TeV extension and a decrease of TeV luminosity with decreasing spin-down power. We also find that the offsets of pulsars with ages around 10 kyr with respect to the wind nebula centres are frequently larger than can be plausibly explained by pulsar proper motion and could be due to an asymmetric environment. These and other results will be presented and put to context with a basic modelling of TeV pulsar wind nebula evolution.

研究の動機と目的

• 14個の明確に同定されたPWNeおよび10個の候補源を、H.E.S.S.銀河平面サーベイ (HGPS) および文献データから分析し、TeV PWN集団の進化を理解すること。
• PWNの性質とパルサーの回転減速パワーとの間で観測された相関が、理論的モデルと整合するかどうかを特定すること。
• 固有運動によるもの以上のずれを引き起こす環境的非対称性の役割を評価すること。
• 未検出の系からのフラックス上限に基づいて、PWNの検出可能性の閾値を定量化すること。
• 単純な時間依存発光モデルと観測されたPWNの性質がどの程度整合するかを評価すること。

提案手法

• H.E.S.S.銀河平面サーベイ (HGPS) および文献からの14個の確実なPWNeと10個の候補源を分析した。
• 10^{35}\,\text{erg\,s}^{-1} よりも大きな $\dot{E}$ を持つ22個のパルサーについて、フラックス上限を収集し、予想される角度拡張が $0.6^\circ$ 未満であることを確認した。
• 電子の注入および冷却を含む12個の自由パラメータを変化させた、1ゾーン時間依存発光モデルを用いてPWNの進化をシミュレートした。
• パルサー年齢が数キロ年までの範囲で、観測されたTeV放射能、拡張、ずれの傾向をモデル予測と比較した。
• スペクトルエネルギー分布 (SED) モデリングを用いて、中年齢PWNにおける異なる注入エポックからの発光寄与を分解した。
• 不均一な媒体や逆方向ショック波面などの環境要因がPWNの形態およびずれに与える影響を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PWN集団全体にわたり、TeV放射能とパルサーの回転減速パワーの間に測定可能な相関が存在するか？
• RQ2 PWNの拡張と放射能の減衰は、古いか弱いPWNが検出されない理由をどの程度説明できるか？
• RQ3 パルサーの固有運動だけでは、観測されたパルサーとPWNのずれを説明できるか？
• RQ4 未検出のPWNのフラックス上限は、時間経過に伴うTeV発光の進化をどの程度制限するか？
• RQ5 非対称的な超新星ショック波の相互作用が、PWNの歪みとずれを引き起こす役割は何か？

主な発見

• TeV放射能とパルサーの回転減速パワーとの間にべき乗則的相関が観測され、$L_{1-10\,\text{TeV}} \sim \dot{E}^{0.58 \pm 0.21}$ であり、理論モデルが予測する0.5付近の勾配と整合的である。
• フラックス上限から、パルサーの回転減速パワーが $\sim 10^{36}\,\text{erg\,s}^{-1}$ 未満のPWNは、現在の機器では検出不能であることが示唆され、放射能の年齢依存減衰を示している。
• 約10 kyrの年齢のPWN系では、固有運動によるものよりも大きなパルサー-PWNのずれが観測され、非対称的な逆方向ショック波の圧縮が支配的役割を果たしている可能性が高い。
• PWNの拡張と放射能のばらつきは、中程度のパrameter変動を伴う単純な時間依存モデルでよく再現されており、その基本的妥当性を支持している。
• モデル化により、中年齢PWN（例：10 kyr）は複雑なSEDを示し、複数の電子注入エポックからの寄与が支配的であり、1–10 TeVバンドのピークはネビュラの生涯の中盤に位置することが分かった。
• 研究は、局所的星間物質密度や背景放射がPWNの明るさに影響を与える可能性があることを強調しており、例として明るすぎるN 157Bや明るさが弱い3C 58のような異常事例が示されている。