[論文レビュー] VERITAS Observations of Supernova Remnants and Pulsar Wind Nebulae in the Fermi Era

T. B. Humensky|arXiv (Cornell University)|Dec 22, 2009

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 4被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、フェルミガンマ線宇宙望遠鏡時代における、超新星残骸（SNRs）およびポラール・ウインドネビュラ（PWNe）のVERITAS観測を提示し、宇宙線加速および粒子拡산を解明するための多波長ガンマ線研究に焦点を当てている。主な結果として、カシオペアA、IC 443、PSR J1930+1852、およびG106.3+2.7/ブーマンク領域におけるVHEガンマ線放射の検出が得られ、エネルギー帯域（GeVおよびTeV）にわたる粒子加速メカニズムや源の形状に関する知見が得られた。

ABSTRACT

Supernova remnants (SNRs) are among the strongest candidates to explain the flux of cosmic rays below the knee around 10^15 eV. Pulsar wind nebulae (PWNe), synchrotron nebulae powered by the spin-down of energetic young pulsars, comprise one of the most populous VHE gamma-ray source classes. Gamma-ray studies in the GeV and TeV bands probe the nature (ions vs. electrons), production, and diffusion of high-energy particles in SNRs and PWNe. For sources that are visible across both the GeV and TeV bands, such as IC 443, the spatial and spectral distribution of gamma rays can be studied over an unprecedented energy range. This presentation will review recent VERITAS results, including studies of Cassiopeia A, IC 443, PSR J1930+1852, and the SNR G106.3+2.7/Boomerang region, and discuss prospects for complementary studies of SNRs and PWNe in the Fermi and VHE gamma-ray bands.

研究の動機と目的

• 多波長ガンマ線データを用いて、超新星残骸（SNRs）およびポラール・ウインドネビュラ（PWNe）における高エネルギー粒子加速の性質を調査すること。
• 約10^15 eVの「膝」付近以下の宇宙線源としてのSNRsの役割を理解すること。これは、高エネルギー天体物理学における重要な未解決問題である。
• フェルミ（GeV）およびTeV（VERITAS）帯で観測可能な源、例えばIC 443におけるガンマ線のスペクトル的および空間的分布を研究すること。
• カシオペアA、PSR J1930+1852、G106.3+2.7/ブーマンク領域など、特定のSNRsおよびPWNeからのVHEガンマ線放射を同定・特徴づけること。
• フェルミおよびVHEガンマ線エネルギー帯域にわたるSNRsおよびPWNeの補完的・統合的分析を可能とし、高エネルギープロセスに関する多メッセンジャー理解を強化すること。

提案手法

• 非常に高エネルギー（VHE）ガンマ線（~100 GeV以上）を検出するために、地上に設置されたチェレンコフ望遠鏡アレイであるVery Energetic Radiation Imaging Telescope Array System（VERITAS）を用いた。
• カシオペアA、IC 443、PSR J1930+1852、G106.3+2.7/ブーマンク領域を含む、選択されたSNRsおよびPWNeに対して深紫外観測を実施し、VHE放射の探索を行った。
• Fermi Large Area Telescope（LAT）によるGeV帯観測データとVERITASデータを統合し、~100 MeVから>100 GeVにわたる広帯域のエネルギーカバーを実現した。
• 源のエネルギー分布および形状を特定するため、ガンマ線放射のスペクトル的および空間的解析を実施した。
• 標準的なチェレンコフ望遠鏡データ還元および源検出技術（背景減算および源の有意性推定）を適用した。
• VHEおよびGeVデータの相関解析を実施し、エネルギー依存の源構造および放射メカニズムを検討した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 カシオペアAにおけるVHE帯ガンマ線放射の性質は何か。フェルミ-LAT観測と比較するとどうなるか。
• RQ2 IC 443におけるガンマ線のスペクトル的および空間的性質は、GeV帯とTeV帯でどのように異なり、粒子加速に関する何を明らかにするか。
• RQ3 PSR J1930+1852からのVHEガンマ線放射の有意性は何か。また、その関連するポラール・ウインドネビュラとしての分類にどのような意味を持つか。
• RQ4 G106.3+2.7/ブーマンク領域は、どのように多バンドガンマ線放射を示し、その分類および粒子加速プロセスにどのような示唆を与えるか。
• RQ5 フェルミおよびVERITASの共同研究による、SNRsおよびPWNeにおける宇宙線起源の解明の可能性は何か。

主な発見

• VERITASは、有名な超新星残骸であるカシオペアAからのVHEガンマ線放射を検出しており、ここでの粒子加速の証拠を示した。
• IC 443は、GeV観測と整合する拡張したVHEガンマ線放射を示し、GeV-TeVエネルギー範囲にわたるスペクトル的・空間的進化の詳細な研究が可能になった。
• PSR J1930+1852は顕著なVHEガンマ線源として特定され、ポラール・ウインドネビュラとしての分類を裏付けるとともに、効率的な粒子加速を示唆した。
• G106.3+2.7/ブーマンク領域はVHE放射を示し、パルサー・ウインドネビュラとその周囲の超新星残骸環境との複雑な相互作用を示唆した。
• フェルミ（GeV）およびVERITAS（TeV）帯の多波長解析により、一部の源で一貫したスペクトル形状が得られ、ハドロン的またはレプトン的放射モデルを支持する証拠が得られた。
• フェルミおよびVERITASの統合データセットにより、SNRsおよびPWNeにおける粒子拡散および加速メカニズムを研究するための、前例のない広帯域エネルギーカバーが実現された。