[논문 리뷰] Observation of LS I +61 303 with VERITAS

G. Maier|ArXiv.org|2007. 09. 23.

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers참고 문헌 2인용 수 3

한 줄 요약

VERITAS는 고질량 X선 이중성분인 LS I +61 303으로부터 매우 높은 에너지 감마선 방출을 감지했으며, 궤도 이아점(위상 ~0.73) 시점에 약 10% 수준의 크래브 성운의 방출량에 해당하는 최고 방출량을 기록했다. 방출은 26.5일의 궤도 주기와 강하게 조율되어 있으며, 이는 입자 가속 또는 전파가 이중성계의 기하학적 구조와 밀접하게 연결되어 있음을 시사한다. 이는 밀도가 높은 바이너리의 밀도 있는 바람과 밀도가 높은 천체 간의 상호작용으로 인한 것으로 보인다.

ABSTRACT

The high mass X-ray binary LS I +61 303 has been observed over several months in 2006 and 2007 with the VERITAS array of imaging air-Cherenkov telescopes. A signal of high energy gamma rays with energies above 350 GeV is detected in several orbital cycles of the binary system. The detected flux of gamma rays is strongly variable with the orbital period of 26.5 days, while the maximum flux (corresponding to about 10% of the flux of the Crab Nebula)is always found at approximately apastron, suggesting a strong dependence of particle acceleration and/or propagation on the relative position of the two objects in the system.

연구 동기 및 목표

• VERITAS 이미징 공기 채러코프 망원경 어레이를 사용하여 고질량 X선 이중성분인 LS I +61 303으로부터 매우 높은 에너지(VHE) 감마선 방출을 감지하고 특성화하는 것.
• VHE 감마선 방출량과 궤도 위상 간의 상관관계를 조사하여, 밀도가 높은 이중성계 내 입자 가속 모델을 시험하는 것.
• 감마선 방출이 점원형이며 광학적 대응체와 공간적으로 일치하는지 확인하여 이중성계 내에서 기원함을 확인하는 것.
• 특히 고상태 궤도 위상 동안의 스펙트럼 및 시간적 행동을 제약하는 것.
• 다양한 파장 범위의 맥락을 제공하기 위해 동시 X선 데이터와 비교함으로써, 방출 메커니즘을 이해하기 위한 광범위한 노력의 일환으로서의 다중파장 맥락 제공

제안 방법

• 관측는 프레드 로렌스 휠러플로우 옵저버버토리에 위치한 VERITAS 4대의 이미징 공기 채러코프 망원경 어레이를 사용하여 수행되었으며, 배경을 최소화하기 위해 오프셋 포인팅 방식의 움브링 모드로 운영되었다.
• 2006년과 2007년 동안 총 44시간 동안 관측되었으며, 2006년 9월~11월에는 두 대의 망원경, 2007년 1월~2월에는 세 대의 망원경을 사용하여 350 GeV 이상의 VHE 감마선에 대해 높은 감도 확보를 위해 노력하였다.
• 배경 제거는 여러 독립적인 분석 패키지 및 방법을 사용하여 수행되었으며, 천체선 제거 기법과 쇼어 이미지의 통계적 모델링이 포함되었다.
• 각 궤도 위상 구간에서 초과 사건의 유의성과 방출량을 계산하였으며, 방출량은 크래브 성운의 방출량 단위로 보고되었고, 에너지 임계값 및 유효 면적 보정을 거쳤다.
• 방출의 공간적 범위를 테스트하기 위해 유의성의 하늘 맵을 구성하였으며, 기구의 점원형 확산 함수(PSF)와 초과를 비교하였다.
• 감마선 광도곡선에서 26.5일의 궤도 주기의 유의성을 검증하기 위해 롬브-스카르글 주기 분석을 적용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LS I +61 303에서 26.5일의 궤도 주기에서 VHE 감마선 방출이 유의미하게 조율되고 있는가?
• RQ2 예측된 상대론적 충격 또는 제트 비밍 모델에 따라, 최고 감마선 방출량이 항상 이아점 근처에서 관측되는가?
• RQ3 감마선 방출의 공간적 범위가 LS I +61 303의 위치에서 점원형 소스와 일치하는가?
• RQ4 다른 궤도 사이클 동안 방출량은 어떻게 변하는가? 광도곡선에서 사이클 간 변동성이 있는가?
• RQ5 감마선 방출의 스펙트럼 기울기와 방출량은 무엇이며, 크래브 성운과 비교해보면 어떠한가?

주요 결과

• VERITAS는 총 유의도 8.8σ로 LS I +61 303를 감지하여, 이가 VHE 감마선 천체임을 확인하였다.
• 감마선 방출량은 궤도 위상에 따라 강하게 조율되며, 이아점에 해당하는 위상 0.5에서 0.8 사이에 최고 방출량(크래브 성운 방출량의 약 10%)이 관측되었다.
• 고상태 동안의 방출량은 3% 미만에서 10% 초과까지 변동하며, 최고 방출량은 위상 ~0.73에서 발생하였다.
• 초과 사건의 공간 분포는 점원형 소스와 일치하며, 최고 위치는 LS I +61 303의 광학적 대응체와 일치한다.
• 롬브-스카르글 분석을 통해 26.4960일의 궤도 주기가 99.94%의 확률로 확인되었으며, 이는 방출의 궤도 조율을 지지한다.
• 저상태 기간(예: 2007년 2월) 동안의 방출량 상한은 비검출과 일치하며, 350 GeV 이상의 방출량에 대해 99% 신뢰수준에서 <0.065 크래브 단위 이하의 상한이 제시되었다.