[논문 리뷰] An Ultrahigh-energy $γ$-ray Bubble Powered by a Super PeVatron

The LHAASO Collaboration, Cao, Z.외 279명|arXiv (Cornell University)|2023. 10. 16.

Astrophysics and Cosmic PhenomenaPhysics and Astronomy인용 수 3

한 줄 요약

LHAASO는 Cygnus X에서 100 deg² 이상을 차지하는 초고에너지(UHE) 감마선 기포를 탐지했으며, 이는 최소 10 PeV까지 프로톤을 가속화하는 슈퍼 PeVatron에 의해 구동된다. 기포의 형태, 에너지 스펙트럼(log-parabola 형태로, Γ(E) = 2.71 ± 0.02 + 0.11 ± 0.02 × log₁₀(E/10 TeV)), 그리고 Cygnus OB2와 Cygnus X-3 근처의 PeV 감마선 농도는 주변 간성간 가스에 지속적인 프로톤 주입을 통해 가장 잘 설명되며, 이는 IceCube에서 10년간 검출 가능한 중성자율을 예측한다.

ABSTRACT

We report the detection of a $γ$-ray bubble spanning at least 100$ m deg^2$ in ultra high energy (UHE) up to a few PeV in the direction of the star-forming region Cygnus X, implying the presence Super PeVatron(s) accelerating protons to at least 10 PeV. A log-parabola form with the photon index $Γ(E) = (2.71 \pm 0.02) + (0.11 \pm 0.02) imes \log_{10} (E/10 \ { m TeV})$ is found fitting the gamma-ray energy spectrum of the bubble well. UHE sources, `hot spots' correlated with very massive molecular clouds, and a quasi-spherical amorphous $γ$-ray emitter with a sharp central brightening are observed in the bubble. In the core of $\sim 0.5^{\circ}$, spatially associating with a region containing massive OB association (Cygnus OB2) and a microquasar (Cygnus X-3), as well as previously reported multi-TeV sources, an enhanced concentration of UHE $γ$-rays are observed with 2 photons at energies above 1 PeV. The general feature of the bubble, the morphology and the energy spectrum, are reasonably reproduced by the assumption of a particle accelerator in the core, continuously injecting protons into the ambient medium.

연구 동기 및 목표

• Cygnus X 별 형성 영역에서 초고에너지 감마선 방출을 식별하고 특성화하는 것.
• 확장된 UHE 감마선 방출의 기원을 규명하고, 거대한 별 구조와의 연관성을 밝히는 것.
• Cygnus X 영역의 중심부에 존재하는 슈퍼 PeVatron이 최소 10 PeV까지 프로톤을 가속화하고 있다는 가설을 검증하는 것.
• 기포 내에서 핵반응에 의한 감마선 및 중성자 방출을 모델링하고, 검출 가능한 중성자 신호를 예측하는 것.

제안 방법

• LHAASO의 KM2A 및 WCDA 어레이가 100 TeV 이상의 3,200개의 광자 유사 사건을 수집하여 이전 데이터보다 5배 높은 통계량을 확보했다.
• 에너지 스펙트럼은 로그-파라볼라 함수로 피팅되었으며, Γ(E) = (2.71 ± 0.02) + (0.11 ± 0.02) × log₁₀(E/10 TeV)이다.
• 3차원 입자 운반 모델을 통해 중심 가속기에서 주변 HI 기체로 프로톤을 주입하는 과정을 시뮬레이션하였으며, 확산 계수는 D(E) ∝ E¹ᐟ³로 가정하였다.
• 모델은 끊어진 거듭제곱 법칙 프로톤 주입 스펙트럼을 가정하였으며, N(Eₚ) = N₀Eₚ⁻².²⁵(1 + Eₚ/30 TeV)⁻⁰·⁵exp(−Eₚ/10 PeV)이다.
• Kelner 등이 제안한 반분석적 방법을 사용하여 중성자율을 추정하였으며, 진동 후 1:1:1의 색깔 비율을 가정하였다.
• IceCube 감도는 효과적 면적 통합을 통해 10년간 검출 가능한 뮤온 중성자율 사건 수를 예측하기 위해 계산되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Cygnus X 영역에서 초고에너지 감마선 방출의 공간적 및 스펙트럼적 형태는 어떻게 되는가?
• RQ2 관측된 UHE 감마선 기포는 중심 입자 가속기에서 유래한 핵반응에 의해 설명될 수 있는가?
• RQ3 프로톤을 가속화하는 가상의 슈퍼 PeVatron의 위치는 어디인가?
• RQ4 동일한 핵반응에서 기대되는 중성자율은 얼마이며, IceCube에서 검출 가능할까?

주요 결과

• 100 deg² 이상을 차지하는 감마선 기포가 탐지되었으며, 로그-파라볼라 형태의 에너지 스펙트럼으로 데이터를 잘 맞추었으며, 10 TeV에서 광자 지수는 2.71 ± 0.02, 곡률는 0.11 ± 0.02이다.
• Cygnus OB2 중심에서 0.5° 반경 내에서 1 PeV 이상의 두 개의 광자가 탐지되었으며, 배경 오염는 오직 0.07개의 사건에 불과했다.
• 기포의 중심 영역은 Cygnus OB2와 Cygnus X-3와 일치하며, 1° 반경 내에서 강도의 90%가 집중되어 있어 중심 가속기의 존재와 일치한다.
• 모델은 입자 가속기를 KM2A 중심으로부터 약 1° 이내로 제약하며, 성폭풍 영역 내에 중심 위치가 있음을 지지한다.
• 10년간 IceCube 운영 기간 동안 기포 전체에서 1 TeV 이상의 뮤온 중성자율 사건 약 29개가 예측되었으며, 그 중 39%는 내부 3° 영역에서 기인한다.
• 기포에서 예측된 (반)뮤온 중성자율은 10 TeV에서 우주선 유도 배경 중성자율보다 약 2배 높다.