[논문 리뷰] HAWC Search for High-Mass Microquasars

HAWC Collaboration, A. Albert외 88명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 21.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 55인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 고고도 수중 체렌코프(HAWC) 관측소를 사용하여 네 개의 고질량 마이크로쿼사르(HMMQ): LS 5039, Cygnus X-1, Cygnus X-3, SS 433에서 매우 높은 에너지(VHE) 감마선 방출을 탐색한다. 유의미한 검출이 없음에도 불구하고, 분석은 10 테바볼트(10 TeV) 이상의 VHE 방출에 대해 지금까지 가장 엄격한 상한을 설정하였으며, 두 가지 물리 모델 하에서의 스택 분석을 통해 감마선 방출 효율(ϵγ < 5.4 × 10⁻⁶)을 엄격히 제약하고, 마이크로쿼사르의 유동에서 강력한 자기장(>20 G)이 존재할 가능성을 시사하여 MeV 대역 방출을 설명하는 동기복사 기반 모델에 도전한다.

ABSTRACT

Microquasars with high-mass companion stars are promising very-high-energy (VHE; 0.1-100 TeV) gamma-ray emitters, but their behaviors above 10 TeV are poorly known. Using the High Altitude Water Cherenkov (HAWC) observatory, we search for excess gamma-ray emission coincident with the positions of known high-mass microquasars (HMMQs). No significant emission is observed for LS 5039, Cygnus X-1, Cygnus X-3, and SS 433 with 1,523 days of HAWC data. We set the most stringent limit above 10 TeV obtained to date on each individual source. Under the assumption that HMMQs produce gamma rays via a common mechanism, we have performed source-stacking searches, considering two different scenarios: I) gamma-ray luminosity is a fraction $\epsilon_\gamma$ of the microquasar jet luminosity, and II) very-high-energy gamma rays are produced by relativistic electrons up-scattering the radiation field of the companion star in a magnetic field $B$. We obtain $\epsilon_\gamma < 5.4 imes 10^{-6}$ for scenario I, which tightly constrains models that suggest observable high-energy neutrino emission by HMMQs. In the case of scenario II, the non-detection of VHE gamma rays yields a strong magnetic field, which challenges synchrotron radiation as the dominant mechanism of the microquasar emission between 10 keV and 10 MeV.

연구 동기 및 목표

• HAWC 데이터를 사용하여 알려진 고질량 마이크로쿼사르(HMMQ)에서 매우 높은 에너지(VHE; >10 TeV) 감마선 방출을 탐색한다.
• 모든 개체군에서 동일한 방출 메커니즘을 가정할 때 HMMQ의 감마선 방출 효율을 제약한다.
• 역컴프턴 산란과 동기복사에 의한 VHE 감마선 생성 모델을 시험한다.
• 관측된 MeV 대역과 VHE 대역 방출 간의 갭이 HMMQ의 일반적 특성인지 조사한다.
• γγ 흡수와 상대론적 비스듬함이 추론된 방출 특성에 미치는 영향을 평가한다.

제안 방법

• 분석은 네 개의 HMMQ인 LS 5039, Cygnus X-1, Cygnus X-3, SS 433의 위치와 일치하는 감마선 방출 초과를 탐색하기 위해 1,523일치 HAWC 데이터를 사용한다.
• 각 소스에 대해, 멱법 스펙트럼을 가정할 때 우도 기반 통계 방법을 사용하여 VHE 방출에 대한 상한을 유도한다.
• 약한 공통 방출을 감지하기 위한 민감도 향상을 위해, 네 개의 HMMQ 모두의 우도 프로파일을 결합하는 소스 스택 기법을 적용한다.
• 스택 분석에 두 가지 물리 모델을 사용한다: (I) 감마선 빛의 세기 ϵγ가 제트 빛의 비율이며, (II) 자기장 B 내에서 상대론적 전자가 동반 항성 복사장을 역컴프턴 산란하여 방출하는 감마선.
• 모델 예측 방출이 관측된 상한 이하가 되도록 하기 위해, 표준 이중성 기하학을 가정하여 자기장 강도 B를 제약한다.
• 항성 복사장에 의한 잠재적 γγ 쌍 생성 흡수를 고려하여, LS 5039의 경우 흡수 계수 ηγγ ≈ 0.1–0.4를 추정하고, 상한을 이를 고려하여 조정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 10 테바볼트 이상의 VHE 감마선 방출이 고질량 마이크로쿼사르에서 탐지 가능한가?
• RQ2 만약 VHE 방출이 공통 메커니즘을 통해 발생한다면, HMMQ의 내재된 감마선 방출 효율(ϵγ)에 대한 상한은 무엇인가?
• RQ3 VHE 방출이 관측되지 않는 이유가 강력한 자기장으로 인해 10 keV–10 MeV 대역에서 동기복사 방출이 억제되기 때문일 수 있는가?
• RQ4 항성 복사장에 의한 γγ 흡수가 추론된 내재 방출 세기와 자기장 제약에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 HMMQ는 궤도 운동에 따라 VHE 방출 세기에 주기적 변동을 보이는가?

주요 결과

• 1,523일치 HAWC 데이터 기간 동안 LS 5039, Cygnus X-1, Cygnus X-3, SS 433에서 유의미한 VHE 감마선 방출이 탐지되지 않았다.
• 이 연구는 각 개별 HMMQ에서 10 테바볼트 이상의 VHE 감마선 방출에 대해 지금까지 가장 엄격한 상한을 설정하였다.
• VHE 방출이 제트 빛의 비율 ϵγ로 발생한다고 가정할 경우, 분석은 ϵγ < 5.4 × 10⁻⁶로 제약하였으며, 관측 가능한 고에너지 중성미자 방출을 예측하는 모델에 대해 상당히 강화된 제약 조건을 제공하였다.
• 역컴프턴 모델의 경우 비검출은 상대론적 유동 내 자기장 강도 B > 20 G임을 시사하며, 이는 10 keV–10 MeV 대역에서 동기복사 방출이 지배적일 수 있는 모델에 도전한다.
• HAWC 데이터에서 주기적 방출 세기 변동의 증거를 발견하지 못하여, 매일 단위 시간 스케일에서의 궤도 조절 방출이 탐지되지 않는 것으로 나타났다.
• 이 연구는 γγ 흡수가 내재 방출 세기를 약 ∼10배 감소시킬 수 있음을 추정하였지만, 이를 고려한 후에도 유도된 자기장 상한은 여전히 강력하여, 동기복사 방출이 MeV 대역을 지배할 가능성이 낮다는 것을 시사한다.