[논문 리뷰] Extragalactic source population studies at very high energies in the Cherenkov Telescope Array era

T. Hassan, A. Domínguez외 5명|arXiv (Cornell University)|2017. 01. 01.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 17인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 페르미-LAT 3FHL 목록에서의 스펙트럼 외삽을 이용해 체렌코프 전파계열망(CTA)이 은하간 매우 높은 에너지(VHE) 천체—주로 블라자르—를 탐지할 수 있는지를 예측한다. CTA-N 및 CTA-S 어레이를 5–20시간 노출로 시뮬레이션하고, EBL 감쇠를 고려한 스펙트럼 모델(PL, PLE, BPL, LP)을 적용함으로써, CTA는 수백 개의 천체를 탐지할 것으로 예측되며, 이는 현재 IACT 능력 이상의 VHE 천체 인구를 크게 확장할 것으로 보인다. 특히 z ∼1.5까지의 고적색편이 블라자르도 탐지 가능할 것으로 보인다.

ABSTRACT

The Cherenkov Telescope Array (CTA) is the next generation ground-based $\gamma$-ray observatory. It will provide an order of magnitude better sensitivity and an extended energy coverage, 20 GeV - 300 TeV, relative to current Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes (IACTs). IACTs, despite featuring an excellent sensitivity, are characterized by a limited field of view that makes the blind search of new sources very time inefficient. Fortunately, the $ extit{Fermi}$-LAT collaboration recently released a new catalog of 1,556 sources detected in the 10 GeV - 2 TeV range by the Large Area Telescope (LAT) in the first 7 years of its operation (the 3FHL catalog). This catalog is currently the most appropriate description of the sky that will be energetically accessible to CTA. Here, we discuss a detailed analysis of the extragalactic source population (mostly blazars) that will be studied in the near future by CTA. This analysis is based on simulations built from the expected array configurations and information reported in the 3FHL catalog. These results show the improvements that CTA will provide on the extragalactic TeV source population studies, which will be carried out by Key Science Projects as well as dedicated proposals.

연구 동기 및 목표

• 논문의 목적은 초기 운영 단계에서 체렌코프 전파계열망(CTA)이 탐지할 수 있는 은하간 매우 높은 에너지(VHE) 천체 인구를 예측하는 데 있다.
• 현재 이미징 대기 체렌코프 전파계열망(IACT)의 감도와 시야 한계로 인해 망각 탐색이 어려운 문제를 다룬다.
• 연구는 1,556개 천체(79%가 은하간)를 포함하는 페르미-LAT 3FHL 목록을 CTA의 에너지 범위(20 GeV–300 TeV)에 대한 기준 천체 모델로 활용한다.
• CTA의 향상된 감도와 확장된 에너지 범위가 희미하고 지속적인, 고적색편이 블라자르의 탐지에 어떻게 기여할지 정량화하고자 한다.
• 특정 천체 유형(예: BL Lacs, FSRQs) 별로 탐지 가능한 천체 수를 추정하고, 알려지지 않은 적색편이로 인한 스펙트럼 외삽 불확실성의 영향을 평가하는 것이 목적이다.

제안 방법

• 분석은 CTA의 에너지 범위에 대한 천체 모델로 3FHL 목록(1,556개 천체, 1,231개 은하간)을 사용한다.
• 3FHL 목록의 스펙트럼 유량은 네 가지 모델(거듭제곱법칙(PL), 지수 감쇠가 있는 거듭제곱법칙(PLE), 끊어진 거듭제곱법칙(BPL), 로그 포물선(LP))을 사용해 테바 에너지까지 외삽되며, 모두 EBL 감쇠를 포함한다.
• 적색편이가 알려지지 않은 천체의 경우, BL Lacs, FSRQs, 적색편이가 불확실한 블라자르(BCUs)의 알려진 분포에서 무작위로 적색편이를 샘플링한다.
• CTA 관측 시뮬레이션(5시간 및 20시간 노출)을 통해 감도를 계산하며, CTA-N(La Palma) 및 CTA-S(Paranal) 모두에 대해 ≥5σ의 신뢰도를 가정한다.
• 우주의 거리에 따른 감쇠를 고려하기 위해 [4]의 EBL 감쇠 모델을 적용한다.
• 결과는 하머-에이토프 천구도, 유량-지수 다이어그램, 다양한 스펙트럼 외삽 방법에 따른 적색편이 분포도로 제시된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 3FHL 목록의 은하간 천체 중 CTA-N 및 CTA-S가 5–20시간 노출로 탐지할 수 있는 천체는 몇 개인가?
• RQ2 다양한 스펙트럼 외삽 모델 하에서 탐지 가능한 천체의 분포는 천체 유형(예: BL Lacs, FSRQs, 라디오 은하) 별로 어떻게 되는가?
• RQ3 특히 고적색편이 천체 중에서 CTA가 탐지할 수 있는 천체는 무엇이며, 탐지 가능한 VHE 천체의 최대 적색편이는 얼마인가?
• RQ4 CTA는 3FHL 유량 한계 근처의 희미하고 경사가 급한 스펙트럼 천체를 얼마나 잘 탐지할 수 있을까? 특히 현재 IACT가 아직 탐지하지 못한 천체들에 대해 어떻게 되는가?
• RQ5 적색편이와 스펙트럼 형상의 불확실성은 은하간 VHE 천체 탐지 가능성 예측에 얼마나 큰 영향을 미치는가?

주요 결과

• PLE 외삽 모델 하에서 CTA-S는 20시간 노출로 344개의 은하간 천체를 탐지할 것으로 예측되며, CTA-N 역시 동일한 수치를 기록한다.
• CTA-S는 5시간 노출로 208개의 BL Lacs를 탐지할 수 있으며, 이 중 50개는 기존 IACT 탐지 기록이 있다. 20시간 노출로는 129개의 적색편이가 불확실한 블라자르를 탐지할 수 있다.
• 5시간 노출로도 3FHL 유량 한계에 도달하는 천체를 탐지할 수 있어, 희미하고 경사가 급한 스펙트럼의 새로운 천체 인구를 감지할 수 있음을 시사한다.
• 고적색편이 블라자르(최대 z ∼1.5)는 휘어지지 않은 상태에서도 탐지 가능하며, 특히 PLE 및 PL 외삽 모델 하에서 그러한 경향이 두드러진다.
• CTA-N는 FSRQ의 탐지 수가 5시간 노출 시 7개에서 20시간 노출 시 13개로 증가하고, CTA-S는 6개에서 10개로 증가하여 이 유형에 대한 감도 향상을 보여준다.
• 스타불스트 은하와 라디오 은하는 중간 노출 시간 내에 탐지 가능하며, PLE 모델 하에서 CTA-S는 20시간 노출로 2개의 천체를 탐지할 수 있다.