[논문 리뷰] A dense gas survey of the gamma-ray sources HESS J1731-347 and HESS J1729-345

Nigel Maxted, Gavin Rowell외 9명|arXiv (Cornell University)|2015. 03. 23.

Astrophysics and Cosmic Phenomena인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 Mopra 7 mm 스펙트럼 선 관측을 통해 CS(1-0) 복사로 조밀한 분자가스를 추적하여 은하수 방사선원 HESS J1731-347 및 HESS J1729-345 향해 진행된다. 세 은하수 암부에서 약 ~5 × 10⁵ M⊙의 조밀한 가스를 검출했음에도 불구하고, 현재 선호되는 거리 5.2–6.2 kpc에서 HESS J1731-347와 일치하는 유의미한 CS(1-0) 복사 발현은 관측되지 않았으며, HESS J1729-345와는 ~10³ M⊙의 조밀한 가스가 겹쳐져 있으나 명백한 연관성이 없어, 조밀한 가스 덩어리가 관여하는 핵반응형 감마선 생성 모델에 도전한다.

ABSTRACT

The results of Mopra molecular spectral line observations towards the supernova remnant HESSJ1731-347 (G353.6-0.7) and the unidentified gamma-ray source HESSJ1729-345 are presented. Dense molecular gas in three different velocity-bands (corresponding to three Galactic arms) are investigated using the CS(1-0) line. The CS-traced component provides information about the dense target material in a hadronic scenario for gamma-ray production (cosmic rays interacting with gas) and an understanding of the dynamics. Furthermore, the effects of cosmic ray diffusion into dense gas may alter the gamma-ray spectrum to cause a flattening of spectra towards such regions. Dense molecular gas mass at a level of ~10^5 Mo was revealed in this survey, with mass of the order of ~10^3 Mo towards HESSJ1729-345 in each coincident Galactic arm, but no significant detection of dense molecular gas towards HESSJ1731-347 at the currently-preferred distance of ~5.2-6.2 kpc was discovered.

연구 동기 및 목표

• TeV 감마선 원천 HESS J1731-347 및 HESS J1729-345 근처에 존재하는 조밀한 분자가스의 유무를 조사하여 핵반응형 감마선 생성 시나리오에서 그 역할을 평가하기 위해.
• 기타 원천들(예: RX J1713.7-3946)에 대해 제안된 우주선 확산 모델에 따라, 조밀한 가스 덩어리가 감마선 복사 스펙트럼의 평탄화를 설명할 수 있는지 확인하기 위해.
• 다른 파장에서 연관성이 없는 것으로 알려진 HESS J1729-345가 조밀한 분자가스와 연관되어 있을 수 있다는 가설을 시험하기 위해.
• 은하수 암부에 해당하는 선속도 범위에서의 가스 질량과 분포를 측정하여 감마선 복사에서 핵반응형과 레프톤형 과정의 기여도를 제약하기 위해.
• 표준 CO 또는 HI 조사로 추적되지 않는 '어둠의' 분자가스 또는 충격에 의해 자극된 종류의 분자 종들(예: SiO, CH₃OH)이 존재할 가능성 탐색하기 위해.

제안 방법

• 조밀한 분자가스( n(H₂) ≥ 10⁴ cm⁻³)를 추적하기 위해 Mopra 전파망원경을 사용하여 깊은 7 mm 스펙트럼 선 관측을 수행함.
• 0.2 km s⁻¹의 선속도 해상도와 59″ 광선 빔 FWHM를 갖는 Mopra의 줌 모드 스펙트럼 분석기 사용으로, 1σ 노이즈 수준은 0.04–0.08 K이며, 각 픽셀에 대해 보수적인 4.5σ 검출 임계치 적용.
• Goldsmith & Langer (1999)의 방법을 사용하여 CS(1-0) 적분 강도를 CS(J=1) 상층 농도로 변환함. 단, C³⁴S(1-0)가 검출된 경우를 제외하고는 광학적으로 얇은 복사 가정.
• CS 상층 농도를 고정된 온도 20 K와 H₂에 대한 CS 농도 비율 10⁻⁹을 사용하여 H₂ 상층 농도로 변환함. 체계적 불확실성은 주로 이러한 가정에 의해 결정됨.
• 광학적으로 두꺼운 영역에 대해 2′ 가우시안 빔을 사용하여 경계 아티팩트를 줄임.
• 충격 또는 항성 형성 환경을 식별하기 위해 다른 따뜻한 기체 추적자(예: C³⁴S, CH₃OH, SiO)의 복사도 同시 기록.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 현재 선호되는 거리 5.2–6.2 kpc에서, TeV 감마선 원천 HESS J1731-347와 CS(1-0)로 추적된 조밀한 분자가스 사이에 유의미한 연관성이 있는가?
• RQ2 HESS J1729-345 근처에 존재하는 조밀한 가스 덩어리가, 우주선 확산 모델에서 제안한 바와 같이 그 감마선 복사의 핵반응형 기원을 뒷받침하는가?
• RQ3 이 필드의 3 kpc 팽창 암부, 노르마-사이규누스 암부, 스쿠투움-크루스 암부에 해당하는 세 선속도 성분에 대한 조밀한 분자가스 총질량은 얼마인가?
• RQ4 조밀한 가스 덩어리와 연관된 충격에 의해 자극된 또는 화학적으로 풍부한 분자 추적자(예: SiO, CH₃OH)가 존재하는가? 이는 항성 형성 또는 충격 활동을 시사한다.
• RQ5 HESS J1731-347 방향으로 CS(1-0) 복사 발현이 없는 것은 CO 또는 CS로 추적되지 않는 '어둠의' 분자가스 존재로 설명될 수 있는가?

주요 결과

• 세 은하수 암부에 걸쳐 약 ~5 × 10⁵ M⊙의 조밀한 분자가스가 검출되었으며, HESS J1731-347의 북반부와 겹치는 약 ~5 × 10⁴ M⊙, HESS J1729-345와 일치하는 약 ~6 × 10³ M⊙가 4σ 수준에서 확인됨.
• 현재 선호되는 거리 5.2–6.2 kpc에 해당하는 선속도 약 −85 km s⁻¹에서 HESS J1731-347 방향으로 유의미한 CS(1-0) 복사 발현은 관측되지 않음.
• 약 5 kpc 거리(선속도 약 −55 km s⁻¹)의 조밀한 가스는 노르마-사이규누스 암부에 해당하며, HESS J1729-345와 약 ~5 × 10³ M⊙가 겹쳐져 있으나, 감마선 원천과의 명백한 공간적 또는 선속도 연관성은 없음.
• 약 3.2 kpc 거리(선속도 약 −23.5에서 −7.0 km s⁻¹)의 조밀한 가스는 스쿠투움-크루스 암부에 해당하며, C³⁴S(1-0), CH₃OH(7-6), HC₃N(5-4), SiO(1-0)의 검출로 따뜻하고 조밀하며 충격을 받은 환경임을 시사함. 항성 형성과 관련이 있을 가능성 있음.
• 스쿠투움-크루스 암부와 연관된 HII 영역 G353.42−0.37는 HESS J1731-347의 거리에 대해 최소 ~3.2 kpc의 하한선을 제공하며, 이는 이전의 흡수 연구와 일치함.
• 감마선 복사에서 HESS J1729-345와 조밀한 가스 덩어리 사이에 명백한 연관성이 없음에도 불구하고, 약 ~10³ M⊙의 조밀한 가스가 4σ 유의수준에서 원천과 겹쳐져 있음.