[논문 리뷰] A Tale of Two Pulsars and the Origin of TeV Gamma Rays from the Galactic Center

Matthew D. Kistler|arXiv (Cornell University)|2015. 11. 03.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 13인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 은하수 중심부에 위치한 X선 펄서 풍압은비(G359.95–0.04)가 관측된 테바르드(TeV) 감마선 방출을 생성할 수 있는지 조사한다. 분석 결과, 근처의 매그네타르 SGR J1745-29가 암시하는 약 1 mG 수준의 자기장은 싱크로트론 손실을 통해 테바르드 방출을 억제하지만, Sgr A*에서 약 1 pc 떨어진 거리에서 약 0.08 mG의 약한 자기장은 데이터를 설명할 수 있으며, 이 경우 PWN가 멀리 떨어져 있고 자기장 강도가 낮을 경우 Sgr A*가 더 유력한 원천이 된다.

ABSTRACT

The Galactic Center (GC) has been long known to host gamma-ray emission detected to >10 TeV. HESS data now points to two plausible origins: the supermassive black hole (perhaps with >PeV cosmic rays and neutrinos) or high-energy electrons from the putative X-ray pulsar wind nebula G359.95-0.04 observed by Chandra and NuSTAR. We show that if the magnetic field experienced by PWN electrons is near the several mG ambient field strength suggested by radio observations of the nearby GC magnetar SGR J1745-29, synchrotron losses constrain the TeV gamma-ray output to be far below the data. Accounting for the peculiar geometry of GC infrared emission, we also find that the requisite TeV flux could be reached if the PWN is ~1 pc from Sgr A* and the magnetic field is two orders of magnitude weaker, a scenario that we discuss in relation to recent data and theoretical developments. Otherwise, Sgr A* is left, which would then be a PeV link to other AGN.

연구 동기 및 목표

• 은하수 중심부에서 관측된 테바르드 감마선 방출을 G359.95–0.04 펄서 풍압은비가 설명할 수 있는지 확인하는 것.
• 근처의 매그네타르 SGR J1745-29가 암시하는 은하수 중심부 자기장이 싱크로트론 손실과 테바르드 감마선 생성에 미치는 영향을 평가하는 것.
• Sgr A*에서의 PWN 거리와 자기장 강도가 관측된 X선 및 테바르드 감마선 방출 량을 일치시키는 데 필요한 조건을 평가하는 것.
• IceCube 데이터를 고려할 때 Sgr A*가 페브티온(PeV) 우주선과 고에너지 중성자를 공급하는 원천이 될 수 있는지 탐색하는 것.
• 입자 가속 모델과 최근 고에너지 관측 결과와의 일관성을 검토하는 것.

제안 방법

• 은하수 중심부 광자장에서 상대론적 전자/양전자들이 일어나는 역코맘프턴 산란을 통한 테바르드 감마선 생성 모델링.
• PWN 내에서 공간적으로 변화하는 자기장 모델 적용. 자기장 강도는 중심부 값(~1 mG)에서 Sgr A*에서 약 1 pc 떨어진 곳에서는 약 0.08 mG로 감소.
• Chandra와 NuSTAR의 관측된 X선 량도와 스펙트럼 형태를 이용해 전자/양전자 주입 스펙트럼과 량을 제약.
• 고해상도 은하수 중심부 관측에서 유도된 이방성 인프라레드 광자장 정보를 활용해 에너지 의존적인 역코맘프턴 교차단면 계산.
• 다양한 자기장 및 거리 조건 하에서 싱크로트론 손실과 역코맘프턴 방출을 비교하여 테바르드 량도 평가.
• Fermi-LAT의 기가전자볼트(GeV) 데이터와 IceCube 중성자 관측 결과를 통합하여 다른 모델의 타당성을 제약.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SGR J1745-29가 암시하는 것처럼 자기장이 약 1 mG일 경우, 펄서 풍압은비 G359.95–0.04가 관측된 테바르드 감마선 량도를 생성할 수 있는가?
• RQ2 관측된 테바르드 량도를 충족시키면서 X선 및 싱크로트론 손실 제약 조건을 만족시키기 위해 필요한 PWN 거리와 자기장 강도는 무엇인가?
• RQ3 은하수 중심부의 인프라레드 광자장의 이방성은 역코맘프턴 산란에 의한 테바르드 감마선 생성 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 자기장 강도가 환경 자기장(약 1 mG)보다 현저히 약할 경우 PWN 시나리오가 타당한가? 이는 PWN의 기원과 위치에 대해 어떤 함의를 갖는가?
• RQ5 IceCube의 페브티온 중성자 사건를 고려할 때 은하수 중심부의 테바르드 감마선 방출은 Sgr A*를 원천으로 지칭하는가?

주요 결과

• SGR J1745-29가 암시하는 약 1 mG의 자기장은 싱크로트론 냉각 시간이 짧아 테바르드 감마선 생성을 억제하며, 이 조건 하에서는 G359.95–0.04가 이론적으로 타당하지 않다.
• Sgr A*에서 약 1 pc 떨어진 곳에 위치한 PWN가 약 0.08 mG의 자기장을 가지며, 전자/양전자 스펙트럼과 주입 량도가 적절히 조정되면 관측된 테바르드 감마선 량도를 재현할 수 있다.
• 필요한 테바르드 량도 대비 X선 량도 비율(L_TeV / L_keV ~ 10)은 PWN가 충분히 멀리 떨어져 있어 환경 광자장이 농후하지만, 자기장 강도가 약 0.05 mG 이하로 떨어지지 않는 거리에 있어야만 달성 가능하다.
• PWN가 Sgr A*에서 약 1 pc 떨어져 있고 자기장이 매그네타르가 암시하는 환경 자기장보다 2개 정도의 주기 낮은 경우에만 모델이 HESS 관측 결과와 일치하는 테바르드 량도를 예측한다.
• 펄스 신호의 부재와 G359.95–0.04가 Sgr A*에서의 투영 거리가 떨어져 있다는 점은 이들이 물리적으로 연관되어 있지 않을 가능성을 시사하며, 이는 PWN가 테바르드 방출 원천으로서의 가능성을 약화시킨다.
• Sgr A*가 원천일 경우, 페브티온 우주선 가속기로 작용하며 은하수 중심부와 고에너지 중성자 생성 간의 중요한 연결 고리를 제공한다.