[論文レビュー] Very-high energy gamma-ray astronomy: A 23-year success story in high-energy astroparticle physics

E. Lorenz, Robert Wagner|arXiv (Cornell University)|Jul 25, 2012

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 109被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、非常に高エネルギー（VHE）ガンマ線天文学における23年間の進化をレビューし、1989年にWhipple共同研究がカブスネビュラからテルバール（TeV）ガンマ線を検出したこと——これが基礎的ブレークスルーである——を強調している。地上型チェレンコフ検出器の発展、150個を超えるVHE源の発見、および相対論的天体物理学的プロセス、ダークマター、基礎的物理学の探査における科学的影響をたどり、感度はカブスネビュラの発光量の0.7％まで到達している。

ABSTRACT

Very-high energy (VHE) gamma quanta contribute only a minuscule fraction - below one per million - to the flux of cosmic rays. Nevertheless, being neutral particles they are currently the best "messengers" of processes from the relativistic/ultra-relativistic Universe because they can be extrapolated back to their origin. The window of VHE gamma rays was opened only in 1989 by the Whipple collaboration, reporting the observation of TeV gamma rays from the Crab nebula. After a slow start, this new field of research is now rapidly expanding with the discovery of more than 150 VHE gamma-ray emitting sources. Progress is intimately related with the steady improvement of detectors and rapidly increasing computing power. We give an overview of the early attempts before and around 1989 and the progress after the pioneering work of the Whipple collaboration. The main focus of this article is on the development of experimental techniques for Earth-bound gamma-ray detectors; consequently, more emphasis is given to those experiments that made an initial breakthrough rather than to the successors which often had and have a similar (sometimes even higher) scientific output as the pioneering experiments. The considered energy threshold is about 30 GeV. At lower energies, observations can presently only be performed with balloon or satellite-borne detectors. Irrespective of the stormy experimental progress, the success story could not have been called a success story without a broad scientific output. Therefore we conclude this article with a summary of the scientific rationales and main results achieved over the last two decades.

研究の動機と目的

• 1989年から2012年までの非常に高エネルギー（VHE）ガンマ線天文学における歴史的発展と実験的マイルストーンを文書化すること。
• 地上型VHEガンマ線検出技術における初期のブレークスルーを強調し、特に大気中チェレンコフ像像を用いたTeV光子の観測を可能にする手法を扱うこと。
• VHEガンマ線天文学の科学的成果を要約すること。これには、150個を超える源の発見、宇宙線の起源、ダークマター、ローレンツ不変性破れの理解への貢献が含まれる。
• VHEガンマ線が中性で方向安定性に優れたメッセンジャーであることに注目し、相対論的・超相対論的天体物理学的プロセスを調べるための役割を強調すること。
• 主に後続の類似研究ではなく、科学的出力が同等であるにもかかわらず、初期のパイオニア実験に焦点を当てた、分野の進展の批判的概観を提供すること。

提案手法

• 高エネルギー光子が引き起こす広大な空気シャワーによって大気中で発生するチェレンコフ光を用いて、VHEガンマ線を検出する大気中チェレンコフ像像技術の利用。
• 大口径のミラーと高速フォト検出器（例：フォトマルチプライヤー管）を装備した地上型望遠鏡を用い、短時間（数ナノ秒）のチェレンコフ光閃光を捉えること。
• シャワーの幾何学的形状、横方向分布、時間的特徴を用いて、はるかに多数存在するハドロンシャワーと区別するための高度なトリガーやデータ取得システムの採用。
• 画像パラメータの再構成とバックグラウンド抑制アルゴリズムを含む高度な解析パイプラインの実装により、VHEガンマ線信号に対する高い感度を達成すること。
• H.E.S.S.、MAGIC、VERITASなどの大規模な観測所の活用。これらは50時間の観測時間で5σ検出に対して約0.7–0.8％のカブスネビュラ発光量の感度を達成した。
• 多波長およびマルチメッセンジャーデータの統合により、AGN、パulsars、超新星残骸などの源同定を相互に検証し、放射メカニズムの制約を図ること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙からの非常に高エネルギーガンマ線を検出可能にした実験的ブレークスルーは何であり、低光子数とバックグラウンドの排除という課題をどのように克服したか？
• RQ2 Whipple実験から現代のチェレンコフアレイに至るまで、地上型VHEガンマ線望遠鏡の感度と源検出能力はどのように進化したか？
• RQ3 どの天体的源がVHEガンマ線放射体として同定され、それらの性質は宇宙における粒子加速メカニズムをどのように明らかにしているか？
• RQ4 VHEガンマ線観測は、ニュートラリノなどのダークマター候補や、ローレンツ不変性破れのような量子重力効果をどれほど制限できるか？
• RQ5 100 TeVを超えるエネルギー帯で源が検出されていないのはなぜか？ これは、初期の小型アレイの限界や、現在の地上型機器のエネルギー閾値に関する何を示唆しているか？

主な発見

• Whipple共同研究が1989年にカブスネビュラからTeVガンマ線を検出したことは、VHEガンマ線天文学の誕生を示し、相対論的宇宙を覗く新しい窓を開いた。
• その後20年間で、150個を超えるVHEガンマ線源が発見され、そのうち約60％が銀河平面付近に、約40％が銀河外起源であった。
• H.E.S.S.、MAGIC、VERITAS観測所は、50時間の観測時間で5σ検出に対してカブスネビュラ発光量の0.7％から0.8％の感度を達成した。
• ペルセウス銀河団からは、拡張した銀河団間ガンマ線放射は検出されなかったが、中心銀河の観測は期待通りの結果と整合的であった。
• 複数回の試みにもかかわらず、ガンマ線バースト（GRBs）からのVHEガンマ線放射は検出されず、トリガー後最大40秒までの観測から得られた最良の上限値が導かれた。
• 銀河中心部や矮星銀河Segue 1のVHEガンマ線観測において、統計的に有意なダークマター信号は得られず、後者は現在のところ最も強い除外限界を提供している。