[論文レビュー] VERITAS Long-Term Observations of Hard Spectrum Blazars

Arun S. Madhavan|arXiv (Cornell University)|Jul 26, 2013

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、非常に高エネルギー（VHE）ガンマ線データを用いて、光子-光子吸収を通じて銀河間背景光（EBL）を調べるため、VERITASが長期間にわたって観測した3つの高赤方偏移・硬スペクトルのブラザールについて、初の結果を提示する。観測されたスペクトルは、2.59から3.40のスペクトル指数を有するパワーローの良好なフィットを示し、カービスネビュラの2％から8％の輝度である。これにより、赤方偏移に依存するスペクトルの折り返しを介して、将来的なEBLスペクトル再構成が可能となる。

ABSTRACT

The VERITAS collaboration has approved long-term observations on several distant, hard-spectrum blazars. We present first results from VERITAS long-term observations of 1ES1218+304, 1ES0229+200, and 1ES0414+009. Gamma-ray observations of distant, hard-spectrum blazars has emerged as an effective, indirect probe of the universe's diffuse extragalactic background light (EBL), due to the extinction of gamma-rays via the pair production interaction $γ_{TeV}γ_{EBL} ightarrow e^{+}e^{-}$, which is expected to produce absorption features in distant gamma-ray sources. The sources presented here emit spectra that are well fit by power laws.

研究の動機と目的

• 遠方の硬スペクトルブラザールにおけるガンマ線吸収を通じて、銀河間背景光（EBL）を間接的に調べること。
• 非常に高エネルギー（VHE）ガンマ線スペクトルにおけるスペクトルの折り返しを通じて、EBLのエネルギー依存的光学的厚さを測定すること。
• マルチTeVガンマ線がEBL光子によって吸収され、高赤方偏移ブラザールに検出可能なスペクトルの折り返しが生じるという仮説を検証すること。
• さまざまな赤方偏移における複数のブラザールに対する長期間にわたる高統計観測を通じて、EBLスペクトルの制約を強化すること。
• VERITASのアップグレードされた機器を活用し、弱く硬スペクトルの源に対する高感度測定を達成すること。

提案手法

• VERITASは、ホワイトルプ観測所に設置された4台の12m望遠鏡を用い、イメージング大気チェレンコフ法により、85 GeVから30 TeVのエネルギー範囲のVHEガンマ線を検出する。
• データは、望遠鏡の再配置、トリガーやPMTのアップグレードを含む前後アップグレード段階を含む複数の観測エポックにわたって収集され、一貫性と感度の向上を確保する。
• シャワー像はヒルズパラメータライゼーションを用いて再構築され、望遠鏡間で統合され、シャワーの進行方向と衝突点が決定される。
• バックグラウンド除去は、モンテカルロシミュレーションに校正された画像パラメータのカットを適用し、その後リフレクトドリジョン分析を実施してガンマ線過剰を抽出する。
• スペクトル解析では、220 GeVから850 GeVの間の時間平均ガンマ線輝度にパワーローをフィットし、統計的および系統的不確実性を伝搬させる。
• 源が点状に見えるかを確認するために、光学的ポイントスプレッド関数（PSF）モデル $A e^{-\theta^{2}/(2\sigma_{1}^{2})} + B e^{-\theta^{2}/(2\sigma_{2}^{2})} + C$ が用いられる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 長期間にわたるVHEガンマ線観測を通じて、硬スペクトルブラザールにEBL吸収に起因するスペクトルの折り返しが観測可能かどうか。
• RQ2 1ES1218+304、1ES0229+200、1ES0414+009のような高赤方偏移ブラザールの固有スペクトル形状は何か。また、パワーロー期待値と比較するとどうなるか。
• RQ3 これらのブラザールの観測スペクトルが、EBL吸収によって純粋なパワーローからどの程度ずれているか。また、赤方偏移に応じてそのずれをどのように定量化できるか。
• RQ4 VERITASの機器アップグレード（望遠鏡の再配置、トリガー、PMTのアップグレード）が、スペクトル測定の感度と信頼性に与える影響は何か。
• RQ5 赤方偏移がz = 0.14からz = 0.29の範囲にわたる複数のブラザールを用いた解析によって、EBLスペクトルに対する統計的に有意な制約が得られるか。

主な発見

• 1ES1218+304は、スペクトル指数 $\Gamma = 3.13 \pm 0.05$ (stat) $\pm 0.20$ (sys) の硬スペクトルパワーローを示し、40$\sigma$の検出と一致しており、200 GeV以上のエネルギーでカービスネビュラの8％の輝度を示している。
• 1ES0229+200は、スペクトル指数 $\Gamma = 2.59 \pm 0.12$ (stat) $\pm 0.20$ (sys) を示し、11.7$\sigma$の有意水準で検出されており、カービスネビュラの2％の輝度である。
• 1ES0414+009は、スペクトル指数 $\Gamma = 3.40 \pm 0.50$ (stat) $\pm 0.30$ (sys) を示し、6.4$\sigma$の有意水準で検出されており、カービスネビュラの2％の輝度を示している。
• 3つのブラザールの全スペクトルエネルギー分布は、220 GeVから850 GeVのエネルギー範囲でパワーローに良好にフィットしており、現在のデータでは顕著なカーブや折り返しが観測されていない。
• PSFモデルへの良好なフィットにより、源1ES1218+304が点状源として確認され、源の局在とバックグラウンド除去の妥当性が裏付けられた。
• 本分析では、すべての4つのVERITAS検出器構成（アップグレード前後）のデータが含まれており、長期間にわたる観測キャンペーン全体にわたる堅牢性と一貫性が確保されている。