[논문 리뷰] Characterizing the population of pulsars in the inner Galaxy with the Fermi Large Area Telescope

M. Ajello|arXiv (Cornell University)|2017. 04. 28.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 3인용 수 32

한 줄 요약

이 논문은 은하수 중심부에서 관측된 고에너지 방사선의 장기적인 초과 현상이 은하수 중심부 내 미해결된 감마선 펄서 집단에 기인할 수 있는지 조사한다. 7.5년 분량의 페르미-LAT 데이터와 두 가지 간섭성 방사선 모델을 사용하여, 저자들은 스펙트럼 에너지 분포(Spectral Energy Distribution, SED) 기준으로 66개의 펄서 후보를 식별하였다. 특히, 광자 지수 < 2, 에너지 절단값 < 10 GeV, 곡률 파라미터 > 9를 조건으로 하였으며, 이는 은하수 중심부 초과 현상의 펄서 해석에 강력한 근거를 제공한다.

ABSTRACT

An excess of $γ$-ray emission from the Galactic Center (GC) region with respect to predictions based on a variety of interstellar emission models and $γ$-ray source catalogs has been found by many groups using data from the {\it Fermi} Large Area Telescope (LAT). Several interpretations of this excess have been invoked. In this paper we search for members of an unresolved population of $γ$-ray pulsars located in the inner Galaxy that are predicted by the interpretation of the GC excess as being due to a population of such sources. We use cataloged LAT sources to derive criteria that efficiently select pulsars with very small contamination from blazars. We search for point sources in the inner $40^\circ imes40^\circ$ region of the Galaxy, derive a list of approximately 400 sources, and apply pulsar selection criteria to extract pulsar candidates among our source list. We performed the entire data analysis chain with two different interstellar emission models (IEMs), and found a total of 135 pulsar candidates, of which 66 were selected with both IEMs.

연구 동기 및 목표

• 은하수 중심부에서 관측된 미해결된 감마선 초과 현상이 미해결된 펄서 집단에서 기인한다는 가설을 검증하는 것.
• 페르미-LAT 데이터를 사용하여 은하수의 내부 40°×40° 영역 내 잠재적 펄서 후보를 식별하고 특성화하는 것.
• 펄서와 블라자르를 최소한의 오염으로 구별할 수 있는 강력한 스펙트럼 선택 기준을 개발하고 적용하는 것.
• 관측된 초과 현상을 설명하기 위해 필요한 은하수 부두 펄서의 총 수와 복사능 분포를 제약하는 것.

제안 방법

• 에너지 범위 0.3–500 GeV 내에서 은하수 중심부를 중심으로 하는 40°×40° 영역에서 7.5년 분량의 Pass 8 페르미-LAT 데이터를 분석하였다.
• 확산 배경을 모델링하고 점원천을 분리하기 위해 두 가지 독립적인 간섭성 방사선 모델(IEMs)을 사용하였다.
• 더 긴 통합 시간 덕분에 이전 카탈로그를 초월하는 약 400개의 점원천으로 구성된 시드 목록을 구축하였다.
• 펄서와 블라자르를 구별하기 위해 복합 법칙에 지수적 절단을 가미한 모델(PLE)을 사용하여 스펙트럼 에너지 분포(SED) 피팅을 수행하였다.
• 선택 기준을 설정: 광자 지수(Γ) < 2, 에너지 절단값(Ecut) < 10 GeV, 곡률 파라미터(TSPLE_curv) > 9로, 알려진 펄서와 블라자르 간의 SED 차이를 바탕으로 하였다.
• 모델 간 일관성을 확인하고 결과의 탄력성을 확보하기 위해 두 IEM 모두를 사용하여 결과를 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 미해결된 감마선 펄서 집단이 은하수 중심부에서 관측된 초과 방사선을 설명할 수 있는가?
• RQ2 페르미-LAT 에너지 범위에서 펄서와 블라자르를 신뢰성 있게 구별할 수 있는 스펙트럼적 특성은 무엇인가?
• RQ3 현재의 데이터와 모델링을 사용하여 은하수 내부에서 몇 개의 펄서 후보를 식별할 수 있는가?
• RQ4 관측된 은하수 중심부 초과 현상을 재현하기 위해 필요한 펄서의 복사능과 공간 분포는 무엇인가?
• RQ5 간섭성 방사선 모델의 가정을 변화시켰을 때 결과의 탄력성은 어떠한가?

주요 결과

• 두 간섭성 방사선 모델을 통해 총 135개의 펄서 후보를 식별하였으며, 이 중 66개는 양 모델에서 모두 선택되었다.
• 스펙트럼 기준(Γ < 2, Ecut < 10 GeV, TSPLE_curv > 9)이 펄서 유사 천체를 성공적으로 분리하였으며, 알려진 감마선 펄서의 82%가 이 조건을 충족하는 반면 블라자르의 경우 오직 9%에 불과했다.
• 3FGL 카탈로그에서 곡률가 있는 SED를 가진 미연결 천체의 수는 은하수 디스크 펄서 집단이 4,000에서 16,000개에 이르는 것으로 암시된다.
• 은하수 부두 펄서 집단을 모델링한 결과, 관측된 초과 현상을 재현하기 위해 10^33에서 10^36 erg s⁻¹ 사이의 복사능을 가진 800에서 3,600개의 소스가 필요하다는 것이 밝혀졌다.
• 모의된 부두 펄서 집단의 에너지 스펙트럼과 위도 프로파일은 Calore 등(2015)과 Ackermann 등(2017)이 보고한 관측된 은하수 중심부 초과 현상과 밀도적으로 일치한다.
• 결과는 두 가지 독립적인 간섭성 방사선 모델 모두에서 탄력적이었으며, 후보 식별과 펄서 해석에 대한 신뢰도를 강화한다.