[論文レビュー] Very high energy emission from the hard spectrum sources HESS J1641-463, HESS J1741-302 and HESS J1826-130

E. O. Angüner, S. Casanova+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 16, 2017

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、3つの硬スペクトルのVHEガンマ線源（HESS J1641-463、HESS J1741-302、HESS J1826-130）からの非常に高エネルギー（VHE）ガンマ線放射が報告されており、これらが数百TeVにまで宇宙線を加速できる可能性のあるPeVatronである可能性を示唆している。解析結果は、密度の高い星間ガスを標的にする核反応モデルを支持しており、銀河系内に存在するPeVエネルギーの宇宙線加速源の潜在的集団である可能性を示している。

ABSTRACT

A recent study of the diffuse $γ$-ray emission in the Central Molecular Zone using very high energy (VHE, E $>$ 0.1 TeV) H.E.S.S. data suggests that the Galactic Center (GC) is the most plausible supplier of Galactic ultra-relativistic cosmic-rays (CRs) up to the knee at about 10$^{15}$ eV (PeV). However, the GC might not be the only source capable to accelerate CRs up to PeV energies in the Galaxy. Here we present H.E.S.S. data analysis results and interpretation of three H.E.S.S. sources, with spectra extending beyond 10 TeV and relatively hard spectral indices compared with the average spectral index of H.E.S.S. sources, namely HESS J1641-463, HESS J1741-302 and HESS J1826-130. Although the nature of these VHE $γ$-ray sources is still open, their spectra suggest that the astrophysical objects producing such emission must be capable of accelerating the parental particle population up to energies of at least several hundreds of TeV. Assuming a hadronic scenario, dense gas regions can provide rich target material for accelerated particles to produce VHE $γ$-ray emission via proton-proton interactions followed by a subsequent $π^{0}$ decay. Thus, detailed investigations of the interstellar medium along the line of sight to all of these sources have been performed by using data from available atomic and molecular hydrogen surveys. The results point out the existence of dense interstellar gas structures coincident with the best fit positions of these sources. One can find possible hadronic models with CRs being accelerated close to the PeV energies to explain the $γ$-ray emission from all of these sources, which opens up the possibility that a population of PeV CR accelerators might be active in the Galaxy.

研究の動機と目的

• 10 TeVを超えるスペクトルを示す3つの未同定の非常に高エネルギー（VHE）ガンマ線源の性質を調査すること。
• これらの源が、PeVエネルギーに達する超相対論的宇宙線の源である可能性を特定すること。
• 密度の高い星間ガスが、核反応によるVHEガンマ線生成に果たす役割を評価すること。
• 観測されたVHE放射を説明する核反応的および電子的発光メカニズムの競合するシナリオを評価すること。
• これらの源が、銀河中心とは異なる、新たな銀河系内PeV宇宙線加速源（PeVatron）の集団を構成している可能性を検討すること。

提案手法

• H.E.S.S.フェーズIアレイのデータを、前方フィルタリングおよびリフレクトバックグラウンドモデルを用いて、スペクトルおよび空間分布の再構築に適用。
• HESS J1741-302およびHESS J1826-130におけるガンマ線-ヘリウム分離の改善のため、多変量解析（TMVA）を適用。
• バックグラウンド推定および有意性計算に、リングバックグラウンドモデルを用いる。
• 源の位置と原子および分子水素調査のクロス相関をとり、視線方向の密度の高いガス構造を同定。
• プロトン-プロトン相互作用時間とエネルギー予算を、$ t_{pp} = 5.76 \times 10^{15} \times (n_{\text{gas}}/\text{cm}^{-3})^{-1} $ s を用いて推定。
• 核反応的および電子的発光モデルの比較を実施。特に、スペクトル指数が約2.0で、約70 TeVでカットオフする冷却されていない電子による逆コンプトン散乱を含む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HESS J1641-463、HESS J1741-302、HESS J1826-130の硬スペクトルVHEガンマ線放射は、密度の高い星間ガスとの宇宙線の核反応によって説明可能か？
• RQ2 核反応的シナリオにおいて、観測されたVHE放射を説明するための必要なエネルギー予算とプロトン注入スペクトルは何か？
• RQ3 変動の欠如および点状の空間構造は、連星系またはパルサー風ネbula（PWN）起源と整合的か？
• RQ4 高エネルギー電子による逆コンプトン散乱を含む電子的シナリオは、特にHESS J1826-130においてVHE放射を説明できるか？
• RQ5 これらの源は、銀河中心とは異なる、新たな銀河系内PeV宇宙線加速源（PeVatron）の集団を構成しているか？

主な発見

• HESS J1641-463、HESS J1741-302、HESS J1826-130は、10 TeVを超えるVHEガンマ線スペクトルを示し、硬スペクトル指数を示しており、親粒子が数100 TeVにまで加速されている可能性を示唆している。
• 源の位置は、密度の高い星間ガス構造と空間的に一致しており、プロトン-プロトン相互作用による核反応的起源を支持している。
• 核反応的放射のための必要なエネルギー予算は、HESS J1641-463（11 kpc）で $ W_{pp} \sim 10^{48} $ erg、HESS J1826-130（4 kpc）で $ \sim 10^{47} $ erg であり、HESS J1741-302はガス密度に応じて中間的な値をとる。
• HESS J1826-130においては、冷却されていない電子と約70 TeVのカットオフを持つ電子的シナリオが、硬スペクトルを説明でき、電子のエネルギー出力は7 kpcで $ 2 \times 10^{47} $ erg である。
• 顕著な変動は検出されず、低統計的データと高い散乱による影響を除けば、連星系またはパルサー風ネブula（PWN）起源を完全に除外できない。
• 結果は、銀河系内PeV宇宙線加速源の潜在的集団を示唆しているが、核反応的および電子的モデルの両方が妥当であり、今後のCTAによる高解像度観測によって明確な区別がなされる必要がある。