[論文レビュー] VERITAS Observations of Globular Clusters

Michael McCutcheon|arXiv (Cornell University)|Jul 28, 2009

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 14

ひとこと要約

本研究では、VERITAS観測を用いて、M15、M13、M5という3つの北天の球状星団からの非常に高エネルギー（VHE）ガンマ線放射を調査し、2つのメカニズムを検証した：ミリ秒パルサーからの累積的直接放射と、衝突するパルサー風からの逆コンプトン放射。600 GeVを超えるエネルギーで有意なVHE放射は検出されず、上記の制限が衝突風モデルを制約し、これらの星団におけるパルサー集団が現在の観測と約10倍の要因内で整合的であることを示唆している。

ABSTRACT

It has been postulated that globular clusters could be sources of Very-High Energy (VHE) gamma rays, powered by milli-second pulsars. This could be due to cumulative direct emission or to plerion-type emission driven by colliding winds. In particular the southern hemisphere globular cluster 47 Tuc has been singled out as a potential source in both models. In light of the recent detection by the Fermi Gamma-ray Space Telescope (FGST) of 47 Tuc, the first detection of any globular cluster as a gamma-ray source, we present the results of observations of northern hemisphere globular clusters by VERITAS. Three globular clusters have been observed: M15, M13 and M5. Of these, M15 and M13 have been explicitly proposed as VHE gamma-ray sources and M5 possess similarities with them.

研究の動機と目的

• 球状星団が、ミリ秒パルサーからの累積的放射または衝突する風の衝撃波によってVHEガンマ線を放出するという仮説を検証すること。
• 特にVERITASを用いた像空気チェレンコフ望遠鏡（IACT）によるその放射の検出可能性を評価すること。
• VHE放射の上昇限界を用いて、球状星団内のミリ秒パルサー集団を制約すること。
• 衝突風モデルからの理論的予測と観測された放射上昇限界の整合性を評価すること。

提案手法

• VERITASは、M15、M13、M5に対して2〜4台の望遠鏡を用いて、393〜900分の観測時間をかけてデータを収集した。
• 画像品質のカットを用いてデータをフィルタリング：連続する最小4ピクセル、端縁ピクセルからの電荷が20%未満、1枚の画像あたり100光電子以上。
• 背景率は、反転領域法（α = N_ON / N_OFF）を用いて推定した。
• ガンマ線-ハドロン分離とステレオ再構成を適用し、大気シャワーの画像を特定し、源の有意性を抽出した。
• ヘレン法を用いて、クレーブ似のパワー・ラウのスペクトル（Γ = -2.5）を仮定し、99%信頼水準での放射上昇限界を計算した。
• M15については、導入期に完全なシミュレーションデータが不足していたため、同時期のクレーブ観測からのスケーリングにより放射を算出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ミリ秒パルサーからの理論的予測に基づくVHEガンマ線放射が、像空気チェレンコフ望遠鏡（IACT）であるVERITASによって検出可能かどうか。
• RQ2 観測された放射上昇限界が、衝突風モデル下でのミリ秒パルサー数にどの程度制限を加えるか。
• RQ3 100個のパルサーと1%の加速効率を持つ集団について、理論的予測とM15、M13、M5のVHE放射上昇限界をどのように比較できるか。
• RQ4 検出がなかったことから、これらの星団において累積的直接放射メカニズムが除外されるかどうか。
• RQ5 衝突風モデルにおいて、放射密度やコア半径といった星団の性質に応じて、推定された放射がどのようにスケーリングされるか。

主な発見

• M15、M13、M5のいずれに対しても、600 GeVを超える有意なVHEガンマ線放射は検出されず、それぞれの検定統計量は-1.3σ、1.0σ、-0.3σであった。
• M15の99%信頼水準での放射上昇限界は、600 GeV以上で1.1 × 10⁻¹² erg/s/cm²であり、クレーブ・ネビュラの1.6%に相当する。
• M13の放射上昇限界は1.5 × 10⁻¹² erg/s/cm²（2.2% Crab）、M5は0.4 × 10⁻¹² erg/s/cm²（0.6% Crab）であった。
• 衝突風モデルにおいて、最大許容パルサー集団（η = 1%）は、M15で53、M13で36、M5で30と推定された。
• これらの制限は、楽観的な放射パラメータを仮定した場合、実際のパルサー集団が既知の数値と約10倍の要因内で整合的であることを示唆している。
• 結果は、衝突風モデルの最も楽観的な仮定のもとでも、これらの星団からのVHE放射がVERITASでは検出可能でないという仮説と整合的である。