[논문 리뷰] H.E.S.S. II observations of the 2014 periastron passage of PSR B1259-63/LS 2883

C. Romoli, P. Bordas외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 08. 02.

Astrophysical Phenomena and Observations인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 H.E.S.S. II가 2014년 페리아스트론 통과 기간 동안 감마선 이중성 PSR B1259–63/LS 2883를 관측한 결과를 제시하며, 향상된 감도와 낮은 에너지 임계값을 활용한다. 이는 2011년과 확인된 2014년의 GeV 플레어 동안 높은 TeV 플럭스를 확인했으며, 페리아스트론 30일 전에 예상치 못한 2.5배의 플럭스 증가를 발견하여 이중성 시스템 내 입자 가속 모델에 도전한다.

ABSTRACT

PSR B1259-63/LS 2883 is a gamma-ray binary system composed of an O9.5Ve main sequence star, LS 2883, and a 47.8 ms spinning neutron star in a highly eccentric 3.4 yr orbit (eccentricity e = 0.87). PSR B1259-63/LS 2883 is so far the only gamma-ray binary in which the compact object has been firmly identified. H.E.S.S. observed this system around its periastron passages in 2004, 2007, 2011 and 2014. For this latter event, a detailed campaign was organised making use of the new capabilities of H.E.S.S. II, in particular its improved sensitivity and a lower energy threshold. This campaign covered for the first time the time of periastron and parts of the orbit so far unexplored at VHE energies, and included as well observations during the GeV flare observed contemporaneously with the Fermi-LAT. The analysis of the H.E.S.S. II data indicates a relatively high TeV flux during this GeV flare and also at orbital phases preceding the first neutron star crossing of the circumstellar disk. These results will be summarised and discussed in the context of previous models attempting to explain the complex gamma-ray emission from this source.

연구 동기 및 목표

• H.E.S.S. II의 향상된 감도와 낮은 에너지 임계값을 활용하여 2014년 페리아스트론 통과 기간 동안 PSR B1259–63/LS 2883의 매우 높은 에너지(VHE) 감마선 방출을 연구하기 위해.
• 2011년 관측된 지속적인 GeV 플레어와 2014년에 확인된 이 현상을 해결하기 위해 동시에 VHE 및 GeV 관측을 수행하기 위해.
• 표준 펄서 풍이 환성원반과 상호작용하는 모델에 위배되는, 첫 번째 원반 통과 이전에 관측된 놀라운 높은 VHE 플럭스의 기원을 조사하기 위해.
• 2004년에서 2014년까지의 H.E.S.S.-I 및 H.E.S.S. II 데이터를 모두 활용하여 매일 단위의 일정한 간격으로 단일화된 VHE 광도곡선을 제작하기 위해.

제안 방법

• 데이터는 H.E.S.S. II의 다섯 대의 망원경—4대의 12m 및 1대의 28m 중심 망원경—을 사용하여 다수의 분석 구성에서 수집되었으며, CT1–4 STEREO, CT1–5 STEREO, CT5 MONO를 포함한다.
• 모든 H.E.S.S. 관측 데이터를 2004년, 2007년, 2011년, 2014년에 재처리하기 위해 업데이트된 소프트웨어를 활용하여 감도 향상과 에너지 임계값 저하를 달성하였다.
• 데이터는 매주로 분할된 후, 광도 보정을 위해 Γ = 2.7의 광자 지수를 가정하고 페리아스트론 통과 시각을 기준으로 매일 단위의 일정한 간격으로 위상 분할되었다.
• Fermi-LAT와의 동시 관측을 통해 VHE 방출이 페리아스트론 이후 약 30일에 발생한 GeV 플레어와 관련이 있음을 확인하기 위해 활용하였다.
• 다른 연도에서의 동일한 궤도 위상에서의 데이터를 융합하여, 동일한 방출 물리 법칙이 여러 사이클에 걸쳐 일관되게 유지된다는 가정 하에 위상 분할 광도곡선을 구축하였다.
• 다른 연도에서 겹치는 플럭스 포인트가 유의미하게 이격되지 않았음을 확인하기 위해 통계적 일관성 검증을 실시하여 스택된 광도곡선의 타당성을 뒷받침하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 PSR B1259–63/LS 2883의 VHE 감마선 플럭스는 예상과는 달리 페리아스트론 30일 전에 크게 증가하는가?
• RQ2 GeV 플레어와 동시에 관측된 높은 TeV 플럭스의 물리적 기원은 무엇인가?
• RQ3 특히 이전에 관측되지 않았던 페리아스트론 통과 및 페리아스트론 이전 단계에서 VHE 광도곡선은 어떻게 변화하는가?
• RQ4 페리아스트론 이전에 관측된 VHE 플럭스 증가 현상은 주기적인 현상이며, 공통된 방출 메커니즘을 통해 GeV 플레어와 연결될 수 있는가?

주요 결과

• GeV 플레어가 페리아스트론 이후 약 30일에 발생한 동안 PSR B1259–63/LS 2883의 VHE 플럭스가 높게 유지되었으며, GeV 및 TeV 대역에서 동시에 다중 파장 플레어가 발생했음을 확인하였다.
• 첫 번째 원반 통과 시점의 플럭스 수준보다 약 2.5배 높은 유의미한 플럭스 증가가 페리아스트론 30일 전에 관측되어, 원반 상호작용 이전에 예상치 못한 입자 가속이 발생했음을 시사한다.
• 2004년에서 2014년 데이터를 기반으로 제작된 위상 분할 광도곡선은 페리아스트론 근처에 명확한 플럭스 최소값을 보이며 이전 관측 결과와 일치하지만, 궤도 밀접 접근 이전에 이전에 관측되지 않았던 고플럭스 상태를 드러낸다.
• 플럭스 증가는 페리아스트론 10일 전에 시작되었으며, 이는 표준 펄서 풍이 환성원반과 상호작용하는 모델에 포함되지 않은 프리커서 방출 메커니즘을 시사한다.
• 다양한 궤도 사이클 동안 플럭스 수준이 일관되게 유지됨을 통해 방출 과정이 반복적이고 주기적임을 뒷받침하며, 안정적이고 장기적인 방출 메커니즘이 존재할 가능성을 강화한다.
• 결과적으로 현재의 이중성 시스템 내 감마선 방출 모델, 특히 펄서 풍이 항성 풍과 환성원반과 상호작용하는 모델를 재검토할 필요가 있다.