[논문 리뷰] Search for extended gamma ray emission in Markarian 421 using VERITAS observations

Mateo Fernandez Alonso|arXiv (Cornell University)|2014. 06. 18.

Astrophysics and Cosmic Phenomena인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 VHE 광자들이 간행 간 배경 빛과 상호작용하여 전자기 캐스케이드를 유도할 수 있는 강력한 간행 간 자기장이 존재할 경우 마크리안 421 주변에 확장된 감마선 환영이 존재하는지 테스트하기 위해 VERITAS 관측 자료를 사용하여, 침체 상태에서의 감마선 환영을 탐색한다. 화염기 동안의 데이터는 환영이 없는 점원천 분포로 간주되며, 각도 분포를 비교한 결과 카이제곱 검정을 통해 유의미한 차이가 없음을 확인하였다. 이에 따라 0° ≤ θ ≤ 0.1° 범위 내에서 확장된 방출에 대해 99% 신뢰수준에서 상한선 <8% 크랩 nebulas flux (C.U.)를 도출하였다.

ABSTRACT

Very high energy (VHE: &gt;100 GeV) gamma rays coming from AGN can pair-produce on the intergalactic background light generating an electromagnetic cascade. If the Intergalactic Magnetic Field (IGMF) is sufficiently strong, this cascade may result in an extended isotropic emission of photons around the source, or halo. Using VERITAS observations of the blazar Markarian 421, we search for extended emission by comparing the source angular distribution ($θ^2$) from a quiescent period with one coming from a flare period, which can be considered as halo-free. $χ^2$ test showed no significant statistical differences between the samples, suggesting that the effect is either non-existent or too weak to be detected. We calculated upper limits for the extended flux considering different angle ranges, the most stringent being &lt;8% of the Crab Nebulae flux (C.U), in the range $0°\leq θ \leq 0.1°$ .

연구 동기 및 목표

• 우주간 배경 빛과 상호작용하는 VHE 감마선이 간행 간 자기장에 의해 유도된 전자기 캐스케이드로 인해 마크리안 421 주변에 확장된 감마선 환영이 존재하는지 테스트하기 위해.
• 강력한 간행 간 자기장(IGMF)이 충분히 강력할 경우, 원천 주변에 감지 가능한 등방성 저에너지 광자 환영을 유도할 수 있는지 조사하기 위해.
• 침체 상태 데이터와 화염기 동안의 데이터를 비교하여, 환영이 없는 것으로 가정한 화염기 데이터와의 비교를 통해 확장된 방출에 대한 엄격한 상한선을 설정하기 위해.
• 캐스케이드 유도 환영의 간접 탐지 방법을 통해 간행 간 자기장 강도와 외성간 배경 빛 밀도 등의 천체물리적 파rameter를 제약하기 위해.

제안 방법

• 마크리안 421의 침체 상태(9.6시간)와 화염기 동안의 VERITAS 관측 자료를 사용하였다.
• 화염기 데이터가 환영이 없는 점원천 분포로 간주되며, 두 데이터 세트에서 스케일링된 초과 θ² 분포를 구성하였다.
• 침체 상태와 화염기 동안의 θ² 분포 형태를 비교하기 위해 카이제곱 검정을 적용하였으며, 검정 통계량은 다음과 같이 정의되었다: χ² = Σ[(N_i_NOflare - B_i_NOflare) - F*(N_i_flare - B_i_flare)]² / [N_i_NOflare + B_i_NOflare + F²*(N_i_flare + B_i_flare)]
• 다양한 θ² 범위에서 통계적 유의성을 평가하기 위해 자유도 조정된 카이제곱(χ²_ν)을 사용하였으며, 95% 및 99% 신뢰수준의 임계값과 비교하였다.
• Helene의 방법을 사용하여 99% 신뢰수준에서 확장된 방출에 대한 상한선을 계산하였으며, 이는 5σ 검출 임계값에 해당한다.
• 0° ≤ θ ≤ 0.1° 및 0.1° ≤ θ ≤ 0.2°와 같은 다양한 각도 범위에 대해 크랩 성운 흐름(C.U.) 단위로 상한선을 보고하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 강력한 간행 간 자기장이 존재할 경우, 전자기 캐스케이드로 인해 마크리안 421 주변에 통계적으로 유의미한 확장된 감마선 방출(환영)이 존재하는가?
• RQ2 침체 상태에서의 초과 감마선 각도 분포가, 환영이 없는 것으로 가정된 화염기 동안의 분포와 유의미하게 다를까?
• RQ3 특정 각도 범위 내에서의 확장된 방출에 대한 상한선는 무엇인가?
• RQ4 이 결과들은 간행 간 자기장 강도와 외성간 배경 빛의 밀도를 어떻게 제약하는가?

주요 결과

• 모든 테스트된 각도 범위에서 95% 및 99% 신뢰수준의 임계값 이하로 떨어지는 자유도 조정된 카이제곱 값이 관측되어, 침체기와 화염기 동안의 θ² 분포 간 통계적으로 유의미한 차이가 없음을 확인하였다.
• 확장된 방출에 대한 가장 엄격한 상한선은 0° ≤ θ ≤ 0.1° 범위 내에서 크랩 성운 흐름의 <8%이며, 이는 1.30 × 10⁻⁶ erg·m⁻²·s⁻¹의 작은 불확실성과 해당된다.
• 0.1° ≤ θ ≤ 0.2° 범위 내에서의 확장된 방출 상한선은 99% 신뢰수준에서 크랩 성운 흐름의 <11%이다.
• 이 상한선은 Aleksić 등(2010)의 이전 결과와 일치하며, VERITAS 기기의 환영 탐색에 대한 방법과 감도가 검증됨을 시사한다.
• 감지 가능한 환영이 관측되지 않은 것은 간행 간 자기장이 캐스케이드 효과를 측정할 수 있을 만큼 충분히 강하지 않거나, 다른 천체물리적 요인에 의해 캐스케이드가 억제되었을 가능성을 시사한다.
• 이 결과는 블라자르에서 VHE 감마선 캐스케이드에 의해 유도된 확장된 방출을 예측하는 모델을 제약하며, 간행 간 자기장 강도와 외성간 배경 빛 밀도와 같은 천체론적 파rameter를 측정하기 위한 광범위한 노력에 기여한다.