[논문 리뷰] Detections of millisecond pulsars with the Fermi Large Area Telescope

L. Guillemot|ArXiv.org|2009. 10. 25.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 104인용 수 4

한 줄 요약

이 학위논문은 2008년에 발사된 페르미 대형면적망원경(LAT)을 이용하여, 라디오 및 X선 망원경을 동원한 고감도 시계측 캠프레인을 통해, 100 MeV 이상의 펄스형 감마선에서 은하수 밀리초 펄서(MSP) 8개에 대한 첫 번째 고체적 탐지 결과를 제시한다. 결과적으로 MSP의 감마선 방출은 외부 자기장 영역에서 발생하는 방출과 일치함을 보여주며, 많은 미해결 고에너지 소스들이 아직 탐지되지 않은 MSP일 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

The Fermi observatory was launched on June 11, 2008. It hosts the \emph{Large Area Telescope} (LAT), sensitive to $γ$-ray photons from 20 MeV to over 300 GeV. When the LAT began its activity, nine young and energetic pulsars were known in $γ$ rays. At least several tens of pulsar detections by the LAT were predicted before launch. The LAT also allowed the study of millisecond pulsars (MSPs), never firmly detected in $γ$ rays before Fermi. This thesis first presents the pulsar timing campaign for the LAT, in collaboration with large radiotelescopes and X-ray telescopes, allowing for high sensitivity pulsed searches. Furthermore, it lead to quasi-homogeneous coverage of the galactic MSPs, so that the search for pulsations in LAT data for this population of stars was not affected by an \emph{a priori} bias. We present a search for pulsations from these objects in LAT data. For the first time, eight galactic MSPs have been detected as sources of pulsed $γ$-ray emission over 100 MeV. In addition, a couple of good candidates for future detection are seen. A similar search for globular cluster MSPs has not succeeded so far. Comparison of the phase-aligned $γ$-ray and radio light curves, as well as the spectral shapes, leads to the conclusion that their $γ$-ray emission is similar to that of normal pulsars, and is probably produced in the outer-magnetosphere. This discovery suggests that many unresolved $γ$-ray sources are unknown MSPs.

연구 동기 및 목표

• . 주로 2008년에 발사된 페르미 대형면적망원경(LAT)을 이용하여 밀리초 펄서(MSP)의 감마선 펄스 방출을 탐지하는 것이 목적이다.
• 이전에 고에너지에서 탐지되지 않은 MSP의 부족한 고체적 탐지 문제를 해결하기 위해, 라디오 및 X선 망원경을 활용한 종합적인 시계측 캠프레인을 시행하고자 하였다.
• 선택 편향을 피하기 위해 은하수 MSP의 거의 편향 없는 조사 수행을 목적으로 하였다.
• 새로 탐지된 MSP의 스펙트럼 및 광도 곡선 특성을 특성화하여 방출 메커니즘을 추론하고자 하였다.
• 최종 목표는 아직 해소되지 않은 고에너지 감마선 소스들이 탐지되지 않은 MSP에 의해 설명될 수 있는지 검증하는 것이다.

제안 방법

• . 후보 MSP에 대해 대규모 라디오 및 X선 망원경과 협력하여 다파장 시계측 캠프레인을 수행하여 후보 MSP의 정밀한 시계측 정보를 확보하였다.
• 펄서 시계측 정보를 사용하여 LAT 데이터를 위상 일치시키고, 펄스형 감마선 방출에 대한 고감도 탐색을 가능하게 하였다.
• 위상 일치된 광도 곡선 및 스펙트럼 에너지 분포를 탐지된 MSP에 대해 구성하여 이론 모델과 비교하였다.
• 검색 범위를 구형성단 MSP로 확장하였지만, 탐지 결과는 없었다.
• 정확한 소스 추출 및 유의미성 평가를 위해 기기 반응 함수(IRFs) 및 배경 모델링을 사용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 . 페르미 LAT를 통해 고에너지에서 이전에 탐지되지 않은 MSP가 펄스형 감마선에서 탐지될 수 있는가?
• RQ2 . 탐지된 MSP의 스펙트럼 및 광도 곡선 특성이 젊고 에너지가 큰 펄서와 일치하는가, 아니면 다른 방출 메커니즘을 시사하는가?
• RQ3 . MSP의 감마선 방출은 극지역 또는 슬롯 갭 모델이 아닌, 외부 자기장 영역에서 발생하는 모델과 일치하는가?
• RQ4 . 고배경 및 소스 혼잡도가 높은 밀도 있는 항성 환경인 구형성단에서도 LAT가 MSP를 탐지할 수 있는가?
• RQ5 . 하늘에 흩어진 미해결 고에너지 감마선 소스들이 실제로 탐지되지 않은 MSP일 가능성이 있는가?

주요 결과

• . 페르미 대형면적망원경(LAT)을 이용하여, 100 MeV 이상의 펄스형 감마선에서 은하수 밀리초 펄서(MSP) 8개에 대한 첫 번째 고체적 탐지가 이루어졌다.
• . 탐지된 MSP의 감마선 광도 곡선은 젊고 에너지가 큰 펄서와 유사한 형태를 보이며, 공통된 방출 메커니즘이 존재할 가능성을 시사한다.
• . MSP의 스펙트럼 에너지 분포는 외부 자기장 영역에서 기인하는 방출과 일치하며, 극지역 또는 슬롯 갭 모델보다 외부 갭 모델을 지지한다.
• . 탐지된 MSP는 젊은 펄서와 유사한 스펙트럼 기울기 및 빛의 강도를 보이며, 유사한 복사 효율을 나타낸다.
• . 구형성단의 MSP에 대해서는 유의미한 감마선 펄스 방출이 탐지되지 않았다.
• . 결과적으로 페르미 카탈로그에 존재하는 많은 미해결 고에너지 감마선 소원들이 아직 탐지되지 않은 밀리초 펄서일 수 있음을 시사한다.