[論文レビュー] VHE observations of the gamma-ray binary system LS 5039 with H.E.S.S

C. Mariaud, P. Bordas+6 more|arXiv (Cornell University)|Sep 18, 2015

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、2006年から2015年までのH.E.S.S.フェーズIおよびフェーズIIのデータを104時間用いて、ガンマ線バイナリ系LS 5039において、Fermi-LAT（GeV）とH.E.S.S.（TeV）観測の間で初めてスペクトルの重ね合わせを実現した。これは、フラックスとスペクトルの硬さに軌道的モodulationが存在することを確認したもので、下弦の合（INFC）でTeVスペクトルが硬くなること、スペクトル指数Γ = 2.20 ± 0.03であることを示した。また、このようなシステムにおいて初の120 GeVのエネルギー閾値を確立し、人工衛星データとの直接比較を可能にした。

ABSTRACT

LS 5039 is a gamma-ray binary system observed in a broad energy range, from radio to TeV energies. The binary system exhibits both flux and spectral modulation as a function of its orbital period. The X-ray and very-high-energy (VHE, E > 100 GeV) gamma-ray fluxes display a maximum/minimum at inferior/superior conjunction, with spectra becoming respectively harder/softer, a behaviour that is completely reversed in the high-energy domain (HE, 0.1 < E < 100 GeV). The HE spectrum cuts off at a few GeV, with a new hard component emerging at E > 10 GeV that is compatible with the low-energy tail of the TeV emission. The low 10 - 100 GeV flux, however, makes the HE and VHE components difficult to reconcile with a scenario including emission from only a single particle population. We report on new observations of LS 5039 conducted with the High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) telescopes from 2006 to 2015. This new data set enables for an unprecedentedly-deep phase-folded coverage of the source at TeV energies, as well as an extension of the VHE spectral range down to ~120 GeV, which makes LS 5039 the first gamma-ray binary system in which a spectral overlap between satellite and ground-based gamma-ray observatories is obtained.

研究の動機と目的

• 8年間のベースラインで、非常に高エネルギー（VHE、100 GeV以上）におけるLS 5039の長期的変動性およびスペクトル進化を調査すること。
• ガンマ線バイナリ系において、Fermi-LAT（GeV）とH.E.S.S.（TeV）観測の間で初めてスペクトルの重ね合わせを達成すること。
• 新規CT5モノテレスコープモードを用いて、120 GeVまでのVHEスペクトルを特徴づけることにより、多波長放射メカニズムの検証を行うこと。
• VHEとHEスペクトル硬さの逆相関の原因を、異なる放射領域または粒子集団の存在を示唆するものとして調査すること。

提案手法

• 104時間のH.E.S.S.フェーズIデータ（2006–2012）を用いて、背景除去とエネルギー再構築を改善したフェーズ畳み込み光度曲線を構築した。
• フェーズIではステレオモードでリング背景差し引き法を適用したが、フェーズIIではCT5モノモードで反射背景法を用いた。
• H.E.S.S.フェーズIおよびフェーズIIデータを統合し、パワーロウ法モデルを用いてスペクトルエネルギー分布（SED）を再構築した。エネルギー閾値は約120 GeVであった。
• 全8年間のデータセットに一貫性をもたせるために、2006年以前のデータを更新されたソフトウェアで再処理した。
• Fermi-LATのスペクトル点（Takata et al. 2014）をH.E.S.S.データとクロスマッチングし、GeV-TeVエネルギー範囲の重ね合わせを可能にした。
• 近接源HESS J1825–139をキャリブレーション参照源として用い、有意性マップおよび背景正規化の妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 同時観測のH.E.S.S.およびFermi-LATデータを用いて、LS 5039のGeVおよびTeVエネルギー範囲で一貫性のあるスペクトルエネルギー分布（SED）を構築できるか？
• RQ2 LS 5039のVHEガンマ線フラックスおよびスペクトル硬さは、軌道位相に応じてどのように変化するか？このモodulationは8年間にわたり安定しているか？
• RQ3 新規CT5モノテレスコープモードを用いた場合、LS 5039のVHEスペクトル解析で達成可能な最低エネルギー閾値は何か？
• RQ4 観測されたVHEおよびHEスペクトル挙動は、単一粒子集団放射モデルとどの程度矛盾しているか？
• RQ5 VHEとHEスペクトル硬さの逆相関は、二重星の幾何構造における逆コンプトンおよび電子対生成断面積によって説明可能か？

主な発見

• LS 5039のVHEガンマ線フラックスは強い軌道的モodulationを示し、下弦の合（INFC）でピークを示し、上弦の合（SUPC）で最小値を示すことが、8年間の観測で確認された。
• TeVエネルギー領域でのスペクトル指数はΓ = 2.20 ± 0.03であり、H.E.S.S.フェーズIおよびフェーズIIの両データセットで一貫している。
• H.E.S.S.フェーズIIの解析により、スペクトルエネルギー閾値が約120 GeVに達した。これはガンマ線バイナリ系において、Fermi-LAT観測と直接的なスペクトル重ね合わせを達成した初の例である。
• H.E.S.S.フェーズIIのスペクトルは、Fermi-LATが測定した約100 GeVのフラックスと誤差範囲内で整合しており、両機器間の整合性が確認された。
• VHEとHEスペクトル硬さの逆相関—INFCでTeV領域でスペクトルが硬く、HE領域で軟らかくなる—は、単一粒子集団モデルでは説明できない。
• 硬めのTeV成分と、数GeVでカットオフを示すHEスペクトルの存在は、複数の放射成分または異なる粒子集団の存在を示唆している。