[논문 리뷰] Morphology of Gamma-Ray Halos around Middle-Aged Pulsars: Influence of the Pulsar Proper Motion

Yi Zhang, Ruo-Yu Liu외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 10. 29.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 65인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 중년 펄서 주변의 감마선 허브 형태를 모델링하여, 펄서의 고유 운동이 비대칭 전자 확산으로 인해 지보-테르라 에너지에서 이중 피크 또는 꼬리 모양의 구조를 만들고, 10 테르라 이 above에서는 빠른 전자 냉각으로 인해 거의 구형의 허브를 형성함을 보여준다. 핵심 결과는 10 테르라 이상에서 펄서와 허브 중심 사이의 오프셋이 일반적으로 너무 작아 HAWC와 LHAASO에서 해석할 수 없으며, 이는 펄서가 가까이 있거나 고속이 아닐 경우 확장된 VHE 소스를 관측할 수 있는 서명이 제한됨을 의미한다.

ABSTRACT

Recently, gamma-ray halos of a few degree extension have been detected around two middle-aged pulsars, namely, Geminga and PSR B0656+14, by the High Altitude Water Cherenkov observatory (HAWC). The gamma-ray radiation arise from relativistic electrons that escape the pulsar wind nebula and diffuse in the surrounding medium. The diffusion coefficient is found to be significantly lower than the average value in the Galactic disk. If so, given a typical transverse velocity of $300-500{\, m km /s}$ for a pulsar, its displacement could be important in shaping the morphology of its gamma-ray halos. Motivated by this, we study the morphology of pulsar halos considering the proper motion of pulsar. We define three evolutionary phases of pulsar halo to categorize its morphological features. The morphology of pulsar halos below 10$\,$TeV is double peaked or single peaked with an extended tail, which depends on the electron injection history. Above 10 TeV, the morphology of pulsar halos is nearly spherical, due to the short cooling timescale ($<50\,$kyr) for tens TeV electrons. We also quantitatively evaluate the separation between the pulsar and the center of the gamma-ray halo, as well as the influence of different assumptions for the pulsar characteristics and the injected electrons. Our results suggest that the separation between the center of the gamma-ray halo above 10$\,$TeV and the associated pulsar is usually too small to be observable by HAWC or LHAASO. Hence, our results provide a useful approach to constrain the origin of extended sources at very high energies.

연구 동기 및 목표

• 중년 펄서 주변의 감마선 허브 형태가 펄서의 고유 운동에 의해 어떻게 형성되는지 이해하기 위해.
• 현재 및 향후 기기인 HAWC와 LHAASO와 같은 기기에서 펄서 허브 오프셋의 관측 가능 서명을 규명하기 위해.
• 전자 주입 역학, 확산 특성, 냉각 timescale이 허브 형태에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 확장된 테르라-페브 감마선 소스 기원을 제약하는 데 기여하는 프레임워크를 제공하기 위해.

제안 방법

• 연구는 상대론적 전자가 간성 공간에서 확산되는 과정에서 발생하는 역컴프턴 산란으로 인한 감마선 방출을 모델링한다.
• 시간 스케일에 따라 허브 진화를 세 단계로 나눈다: 펄서 이동 거리와 전자 확산 길이의 비율(tpd), 전자 냉각 timescale(tc), 펄서 연령(tage).
• 공간적으로 변화하는 확산 계수를 포함하며, 펄서의 탄생지점 중심에 있는 느린 확산 영역을 포함하는 이중 영역 확산 모델을 가정한다.
• 시뮬레이션된 허브 형태는 Fermi-LAT, HESS, LHAASO의 기기별 점원형 분포함수(PSF)로 컨볼루션하여 관측 해상도를 모의한다.
• 펄서와 허브 중심(Θ) 및 가장 밝은 점(Θ′) 사이의 분리 거리를 에너지 및 모델 매개변수의 함수로 정량화한다.
• 극단 케이스 분석에서는 tage − tc 시점에 전자 주입이 멈추는 것으로 가정하여 최대 가능한 오프셋 각도(Θmax, Θ′max)를 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 펄서의 고유 운동은 지보 및 테르라 에너지에서 감마선 허브의 공간 형태에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 허브 오프셋의 관측 가능 서명은 무엇이며, HAWC 및 LHAASO와 같은 현재 기기에서 해석 가능할 수 있는가?
• RQ3 전자 주입 역학과 확산 특성은 펄서 허브의 비대칭성과 피크 구조에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 극단적인 가정 하에 펄서와 허브 중심 사이의 최대 가능한 각도는 무엇이며, 이는 소스 규명에 어떤 의미를 갖는가?

주요 결과

• 10 테르라 이하의 허브에서는 전자 주입 역학에 따라 이중 피크 또는 연장된 꼬리가 있는 단일 피크 형태를 띠며, 펄서 운동으로 인한 비대칭 확산 때문이다.
• 10 테르라 이상에서는 전자 냉각 timescale이 50,000년 이하로 짧아져 비대칭성이 억제되어 거의 구형의 허브가 된다.
• 펄서와 허브 중심(Θ) 및 가장 밝은 점(Θ′) 사이의 각도 분리 거리는 감마선 에너지가 증가함에 따라 감소하며, 일반적인 펄서 거리와 속도 조건에서는 10 테르라 이상에서 해상도가 불가능해진다.
• 펄서와 허브 중심 사이의 최대 각도는 3°(Eγ/1 테르라)−0.77(vtr/400 km s−1)(d/2 kpc)−1로 경험적으로 주어지며, 이는 표준 가정 하에 큰 오프셋이 발생할 가능성은 낮음을 시사한다.
• 자기장 강도는 오프셋에 크게 영향을 미치지만, 전자 주입 스펙트럼과 배경 광자장은 약한 영향을 미치므로, 자기장 구조가 큰 관측 오프셋을 해석하는 데 핵심적임을 시사한다.
• 큰 오프셋이 관측될 경우, 복잡한 자기장 구조나 펄서-허브 기원 외의 기원을 시사하며, 고해상도 다중 파장 후속 관측이 필요하다.