[論文レビュー] Upper limits on the VHE $γ$-ray flux from the ULIRG Arp 220 and other galaxies with VERITAS

Henrike Fleischhack|arXiv (Cornell University)|Aug 24, 2015

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、VERITAS観測を用いて、超高光度赤外銀河であるアープ220およびその他の3つの銀河に対する、これまでで最も感受性の高い超高エネルギー（VHE）ガンマ線放射の上限を提示している。30時間以上の積分にもかかわらず有意な検出が得られなかったが、星形成銀河およびULIRG環境における宇宙線加速およびVHEガンマ線生成の理論的モデルが、99%信頼水準で最も楽観的な予測を除外する制約を与えている。

ABSTRACT

The cores of ultra-luminous infrared galaxies (ULIRGs) are very dense environments, with a high rate of star formation and supernova explosions. They are thought to be sites of cosmic-ray acceleration, and are predicted to emit $γ$-rays in the GeV to TeV range. So far, no ULIRG has been detected in $γ$-rays. Arp 220, the closest ULIRG to Earth, has been well studied, and detailed models of $γ$-ray production in this galaxy are available. They predict a rather hard $γ$-ray spectrum up to several TeV. Due to its large rate of star formation, high gas density, and its close proximity to Earth, Arp 220 is thought to be a very good candidate for observations in very-high-energy (VHE; 100 GeV - 100 TeV) $γ$-rays. Arp 220 was observed by the VERITAS telescopes for more than 30 hours with no significant excess over the cosmic-ray background. The upper limits on the VHE $γ$-ray flux of Arp 220 derived from these observations are the most sensitive limits presented so far and are starting to constrain theoretical models. We also present upper limits for the VHE flux from the ULIRG IRAS 17204-0014, the starburst galaxy IC 342, and the active galaxy 3C321.

研究の動機と目的

• アープ220（高い星形成活動と密度の高い星間物質を有する近距離のULIRG）からのVHEガンマ線放射が予測されるため、そのVHEガンマ線放射を探索すること。
• 密度の高い星形成環境における宇宙線の相互作用によるVHEガンマ線生成の理論的モデルを検証すること。
• これまでで最も感受性の高い観測上限を用いて、星形成銀河およびULIRG銀河におけるVHEフラックス予測の制約を強化すること。
• 特に非検出事例を含む星形成銀河におけるVHE-FIR光度相関の整合性を評価すること。
• VERITASのような現在のIACTが、高光度・高密度銀河からのVHE放射を検出する能力を評価すること。

提案手法

• VERITASは、アープ220およびその他の3つの銀河（IRAS 17204-0014、IC 342、3C321）に対して合計30時間以上の深宇宙観測を実施した。
• 宇宙線背景を上回る過剰なイベントの有無を調査するために、標準的なガンマ線源抽出およびバックグラウンドモデリング手法を用いた。
• 星形成銀河に対してはスペクトル指数-2.5、活性銀河3C321に対しては-3.0を仮定したパワーロウスぺクトルを想定し、積分フラックスの上限を計算した。
• VERITASのエネルギースケールに関する系統的不確実性（20%）を考慮し、スペクトル指数に応じてフラックス上限に最大40%の影響を与えた。
• 理論的フラックス予測は、M82の測定済みVHEフラックスとFIR光度に基づくスケーリング関係を用いて比較した。
• EBL吸収やカロリメトリック条件を仮定した複数の理論的フレームワークからの予測を、公開済みの予測と照合した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 VERITASを用いた場合、アープ220およびその他の星形成銀河に対するVHEガンマ線フラックスの最も厳しい上限は何か？
• RQ2 VERITASの上限は、ULIRG環境におけるVHEガンマ線放射の既存理論モデルをどの程度制約するか？
• RQ3 高光度星形成銀河における非検出事例によって、VHE-FIR光度相関が検証可能か、あるいは反証可能か？
• RQ4 エネルギースケールおよびスペクトル指数の仮定に関する系統的不確実性が、非検出の解釈にどのように影響するか？
• RQ5 アープ220からのVHE放射を検出または除外するためには、どのような今後の観測能力が必要か？

主な発見

• VERITASは、アープ220に対して30時間以上観測したが、有意なガンマ線過剰は認められず、E > 500 GeVの領域における99%信頼水準の上限は ≤ 1.90 × 10⁻¹⁰ ph cm⁻² s⁻¹ であった。
• アープ220の上限は、これまでで最も感受性の高いものであり、99%信頼水準で最も楽観的な理論的モデルのVHE放射を除外している。
• IC 342の上限は ≤ 1.6 × 10⁻¹⁰ ph cm⁻² s⁻¹（E > 500 GeV）であり、M82に基づく粗い予測と整合的である。
• IRAS 17204-0014の上限は ≤ 1.0 × 10⁻¹⁰ ph cm⁻² s⁻¹（E > 600 GeV）であり、M82に基づくフラックス推定と整合的である。
• 活性銀河3C321の上限は ≤ 1.90 × 10⁻¹⁰ ph cm⁻¹ s⁻¹（E > 500 GeV）であり、スペクトル指数-3.0を仮定して導出された。
• 結果は、アープ220の理論的予測の下限に一致しており、現在のIACTがVHE放射の検出または除外に必要な感受性に近づいていることを示している。