[논문 리뷰] Discovery of very-high-energy gamma-ray emission from the vicinity of PSR J1831-952 with H.E.S.S

F. Sheidaei, A. Djannati-Ataı̈외 1명|arXiv (Cornell University)|2011. 10. 31.

Pulsars and Gravitational Waves Research인용 수 7

한 줄 요약

H.E.S.S. 협력 연구진은 67ms 펄사 PSR J1831-0952와 공간적으로 일치하는 확장된 초고에너지(VHE) 감마선 소스인 HESS J1831-098의 발견을 보고한다. 이 소스는 1 TeV 이상에서 광자 지수 2.1, 복사원소 밀도 1.1×10⁻¹² TeV⁻¹ cm⁻² s⁻¹를 보이며, 펄사의 자전 감쇠 에너지로 작동하는 펄사 풍개구름(PWN)과 일치하는 것으로 보이며, 이는 약 1%의 효율로 작동한다. 그러나 다른 파장에서의 대응체는 관측되지 않았다.

ABSTRACT

We report on the latest discovery of an extended Very High Energy (VHE) gamma-ray source near the 67 ms pulsar PSR J1831-0952 during the H.E.S.S. Galactic Plane Survey (GPS). The dispersion measure distance of the pulsar (4.3 kpc) would imply that less than 1% of its spin-down energy is required to provide the observed VHE luminosity of the source. No other plausible counterparts have yet been found through preliminary multi- wavelength searches. The most likely scenario is that the VHE emission originates from the -yet unseen at other wavelengths-wind nebula of PSR J1831-0952. If so this would constitute another case of a gamma-ray discovered pulsar wind nebula.

연구 동기 및 목표

• H.E.S.S. 은하수 평면 조사에서 PSR J1831-0952 근처에서 관측된 확장된 VHE 감마선 소스의 기원을 규명하기 위해.
• VHE 방출이 펄사 풍개구름(PWN)인지, 또는 초신성 잔해(SNR)와 같은 다른 천체물리적 천체와 관련이 있는지 확인하기 위해.
• 기존의 VHE PWN 후보자들과의 공간적 이격, 빛의 세기, 스펙트럼 특성을 비교하여 PWN 기원의 가능성 평가하기 위해.
• 소스의 고에너지 마감과 낮은 자기장 강도가 시스템의 연령과 펄사 운동에 미치는 영향 평가하기 위해.
• 다른 파장에서 감지 가능한 대응체가 없는 상황에서, 이 소스가 감마선으로 발견된 PWN일 수 있는지 조사하기 위해.

제안 방법

• 2004년에서 2009년 사이에 수집된 H.E.S.S. 4대 이미징 대기 찰렌코프 천체망원경 어레이의 40시간의 실제 작동 시간 데이터를 사용하였으며, 표준 데이터 품질 컷을 적용하였다.
• 다변량 분석 기법과 링 배경 방법을 적용하여 우주선 배경을 억제하고, 80개의 전자-포지티브 전자(80 p.e.) 이미지 크기 임계값을 설정한 천구도를 제작하였다.
• 최적의 소스 위치 중심으로 0.3° 반경 영역에서 후방 접합 스펙트럼 분석을 수행하여 미분 에너지 스펙트럼을 추출하였다.
• 반사 영역 방법을 사용하여 배경을 추정하고, 초과 지도에 대해 이중 차원 가우시안 피팅(대칭 및 비대칭)을 적용하여 소스 형태를 결정하였다.
• X선(Chandra, XMM-Newton), Fermi-LAT(공개된 33개월 데이터), 그리고 분산 측정 거리(4.3 kpc)를 사용한 다중 파장 교차 식별을 수행하여 대응체를 평가하였다.
• PWN 내에서 역코모프톤산란에 의한 VHE 방출과의 일관성을 평가하기 위해 예측된 복사원소 밀도와 스펙트럼 지수를 관측된 값과 Fermi 상한선과 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 HESS J1831-098의 확장된 VHE 감마선 방출은 PSR J1831-0952와 공간적으로 관련이 있으며, 이 이격의 의미는 무엇인가?
• RQ2 HESS J1831-098의 에너지 스펙트럼 분포는 무엇이며, 고에너지 마감 또는 곡률의 증거가 있는가?
• RQ3 관측된 VHE 복사원소 밀도는 PSR J1831-0952의 자전 감쇠 에너지로 작동하는 펄사 풍개구름으로 설명될 수 있으며, 필요한 효율은 얼마인가?
• RQ4 왜 X선이나 게르마선 영역에서 대응체가 감지되지 않았으며, 이는 감마선으로 발견된 PWN일 수 있음을 시사하는가?
• RQ5 소스의 형태와 에너지 마감이 시스템의 연령, 자기장 강도, 펄사 고유 운동에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• HESS J1831-098는 사전 시험의 의미도 7.9σ, 시험 보정 후 의미도 5.8σ를 기록한 확장된 VHE 감마선 방출을 나타내며, 중심 위치는 α = 18h31m25s, δ = -9°54′이다.
• 소스의 투영 각지름은 σ ≈ 0.15°이며, 이는 펄사의 거리인 4.3 kpc에서 물리적 크기 약 20 pc에 해당한다.
• 미분 에너지 스펙트럼은 광자 지수 Γ = 2.1 ± 0.1을 가지며, 30 TeV까지 연장되며, 유의미한 마감이 관측되지 않았다.
• 1 TeV 이상의 복사원소 밀도는 (1.1 ± 0.1) × 10⁻¹² TeV⁻¹ cm⁻² s⁻¹이며, 동일 에너지 범위에서 크랩 성운의 복사원소 밀도의 약 4%에 해당한다.
• 펄사의 자전 감쇠 에너지로 VHE 방출을 공급하기 위해 필요한 효율은 약 1%이며, 이는 HESS J1420-609 및 HESS J1809-193와 같은 알려진 VHE PWN 후보자들과 일치한다.
• Fermi-LAT 데이터는 30 GeV 이상에서 유의미한 게르마선 방출을 보이지 않지만, 상한선은 H.E.S.S.의 외삽된 복사원소 밀도보다 높아, 게르마선 대응체가 존재할 가능성은 열려 있다.