[論文レビュー] The time averaged TeV energy spectrum of Mkn 501 of the extraordinary 1997 outburst as measured with the stereoscopic Cherenkov telescope system of HEGRA

F. Aharonian|ArXiv.org|Mar 25, 1999

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用数 74

ひとこと要約

本論文は、1997年の異常な活動期中に、HEGRAステレオスコピック・チェレンコフ望遠鏡系によって測定された、BL ラクティカス対象 Mkn 501 の最初の高精度で時間平均のテルバエレクトロン・エネルギー分布を提示する。38,000個以上の検出されたテルバエレクトロン光子と20%のエネルギー分解能を用い、10 TeVを超えるガンマ線の最初の検出と、指数関数的カットオフを精密に測定した。スペクトルは、dN/dE = N₀(E/1 TeV)⁻⁰ exp(–E/E₀) の形のべき乗則に指数関数的カットオフを加えた形でよく記述され、N₀ = 10.8 × 10⁻¹¹ cm⁻²s⁻¹TeV⁻¹、α = 1.92、E₀ = 6.2 TeV である。

ABSTRACT

During the several months of the outburst of Mkn 501 in 1997 the source has been monitored in TeV gamma-rays with the HEGRA stereoscopic system of imaging atmospheric Cherenkov telescopes. Quite remarkably it turned out that the shapes of the daily gamma-ray energy spectra remained essentially stable throughout the entire state of high activity despite dramatic flux variations during this period. The derivation of a long term time-averaged energy spectrum, based on more than 38,000 detected TeV photons, is therefore physically meaningful. The unprecedented gamma-ray statistics combined with the 20% energy resolution of the instrument resulted in the first detection of gamma-rays from an extragalactic source well beyond 10 TeV, and the first high accuracy measurement of an exponential cutoff in the energy region above 5 TeV deeply into the exponential regime. From 500 GeV to 24 TeV the differential photon spectrum is well approximated by a power-law with an exponential cutoff: dN/dE = N0 (E/1 TeV)^{-alpha} exp(-E/E0), with N0=(10.8 +-0.2(stat) +-2.1(sys)) 1E-11/cm^2 s TeV, alpha=1.92 +-0.03(stat) +-0.20(sys), and E0=(6.2 +-0.4(stat) (-1.5 +2.9)(sys) TeV. We summarize the methods for the evaluation of the energy spectrum in a broad dynamical range which covers almost two energy decades, and study in detail the principal sources of systematic errors. We also discuss several important astrophysical implications of the observed result concerning the production and absorption mechanisms of gamma-rays in the emitting jet and the modifications of the initial spectrum of TeV radiation due to its interaction with the diffuse extragalactic background radiation.

研究の動機と目的

• 1997年の前例のない活動期中のMkn 501の時間平均TeVエネルギー分布を、前例のない光子統計を活用して特定すること。
• 1日未満の時間スケールで著しいflux変動を示すにもかかわらず、1日ごとのガンマ線エネルギー分布の安定性を評価すること。
• 像大気チェレンコフ望遠鏡のエネルギー再構築と有効面積決定における系統的誤差を評価すること。
• 観測されたスペクトルの天体物理学的意義、特にガンマ線生成、吸収、および銀河間背景光との相互作用について検討すること。

提案手法

• HEGRAステレオスコピック系（像大気チェレンコフ望遠鏡4台）は、1997年3月から9月にかけて110時間にわたり、38,000個以上のTeV光子を観測した。
• 時間平均エネルギー分布は、1日ごとのスペクトルを組み合わせることで導出された。これは、flux変動があるにもかかわらずスペクトル形状の安定性を仮定している。
• モンテカルロシミュレーションを用いて、トリガ効率（P(V)）、光集光（Q）、信号生成（V）を含む望遠鏡応答をモデル化し、系統的バイアスを補正した。
• 系統的誤差は、しきい値領域におけるデータとシミュレーションの比較、特に固定されたVにおけるQ分布を用いて評価され、γ/β比の一貫性をテストした。
• 有効面積とエネルギースケールは、測定されたイベントレートとシミュレーションされたイベントレートの比を用いてキャリブレーションされ、スペクトル歪みを最小限に抑える補正が施された。
• スペクトル形状は、最大尤度推定法により、べき乗則に指数関数的カットオフを加えた形：dN/dE = N₀(E/1 TeV)⁻⁰ exp(–E/E₀) にフィットした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1997年の活動期において、1日未満の時間スケールで著しいflux変動を示すにもかかわらず、Mkn 501のTeVエネルギー分布は形状が安定しているか？
• RQ2 高い統計とエネルギー分解能を有する状況下で、時間平均のTeVエネルギー分布、特に10 TeVを超える領域の正確な形状は何か？
• RQ3 エネルギー再構築と有効面積決定における系統的誤差は、特にしきい値領域で、導出されたスペクトル形状にどのように影響を与えるか？
• RQ4 観測されたスペクトルは、固有の放射メカニズムとTeV光子が銀河間背景光と相互作用する過程をどの程度制限するか？
• RQ5 高エネルギー領域でのスペクトルカットオフは、信頼性高く測定可能であり、光子吸収または固有の源カットオフの証拠として解釈可能か？

主な発見

• 500 GeV から 24 TeV の範囲におけるMkn 501の時間平均微分光子スペクトルは、べき乗則に指数関数的カットオフを加えた形：dN/dE = N₀(E/1 TeV)⁻⁰ exp(–E/E₀) で最もよく記述される。
• 正規化は N₀ = (10.8 ± 0.2_stat ± 2.1_sys) × 10⁻¹¹ cm⁻²s⁻¹TeV⁻¹ として測定された。
• 光子指数は α = 1.92 ± 0.03_stat ± 0.20_sys である。
• スペクトルカットオフエネルギーは E₀ = (6.2 ± 0.4_stat −1.5+2.9_sys) TeV であり、深く指数関数的である領域における最初の高精度測定である。
• 110時間の観測期間中に、fluxの変動が3倍以上に達するにもかかわらず、スペクトル形状の顕著な変化は観測されなかった。
• 本分析により、10 TeVを超えるガンマ線が、エクストラギャラクティック・ソースから検出された最初の例が確認され、5σ以上の有意性を示した。