[논문 리뷰] Search for TeV emission from the Fermi Bubbles at low Galactic latitudes with H.E.S.S. inner Galaxy survey observations

E. Moulin, Alessandro Montanari외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 23.

Dark Matter and Cosmic Phenomena참고 문헌 13인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 2014~2020년 동안의 내부 은하계면 조사 데이터를 활용해, 낮은 은하위도에서 페르미 기포의 기저에서 테바르드 레인지 방사선 방출을 위한 최초의 H.E.S.S. 탐색을 제시한다. 고급 품질의 관측을 546시간 동안 수행했음에도 유의미한 초과는 관측되지 않았으며, 1 테바르드에서 95% 신뢰수준 상한선은 약 ~2×10⁻⁹ TeV⁻¹cm⁻²sr⁻¹로 도출되었으며, 이는 기포의 기원에 대한 핵반응 및 전자반응 모델을 제약한다.

ABSTRACT

The Fermi Bubbles were discovered about a decade ago in the {\it Fermi}-LAT data as a double-lobe structure extending up to 55 deg. in Galactic latitudes above and below the Galactic Center. At the moment their origin is still unknown. The H.E.S.S. collaboration is currently performing the first ever survey in TeV gamma rays of the Milky Way inner region: the Inner Galaxy Survey. This survey is intended to achieve the best sensitivity to faint and diffuse emissions in a region of several degrees around the Galactic Centre. It provides an unprecedented sensitivity to dark matter signals, new diffuse emissions, and TeV outflows from the Galactic Centre. Understanding the properties of the Fermi Bubbles at low Galactic latitudes will provide key insights into their origin. We search for TeV emission at the base of the Fermi Bubbles using low-latitude spatial templates. The first results obtained with the 2014-2020 H.E.S.S. observations will be reported.

연구 동기 및 목표

• H.E.S.S. 데이터를 활용해 낮은 은하위도에서 페르미 기포 기저에서 매우 높은 에너지(VHE) 감마선 방출을 탐색하기 위해.
• 테바르드 관측을 통해 핵반응 및 전자반응 방출 모델을 시험함으로써 페르미 기포의 기원을 탐구하기 위해.
• H.E.S.S. 내부 은하계면 조사의 민감도를 활용해 은하중심 근처의 희미하고 확산된 VHE 신호를 탐지하기 위해.
• 페르미-LAT가 1 테바르드 이하에서 관측한 딱딱한 스펙트럼 지수 값이 VHE 대역에서도 유지되는지 평가하기 위해.
• 은하중심 근처의 과거 AGN 활동 또는 항성 형성과 관련된 모델에 대한 중요한 제약을 제공하기 위해.

제안 방법

• 분석은 2014년에서 2020년까지 546시간의 고품질 H.E.S.S. 관측 데이터를 사용하며, 조사의 내부 은하계면에서 조사된 자세각 <40°의 조건을 만족한다.
• 페르미-LAT 표면 밝기가 8.5 sr⁻¹를 초과하는 영역을 관심 영역(ROI)으로 정의하며, 중심 좌표는 l ≈ -1°, b ≈ 2°로 설정한다.
• 반사 배경 방법을 런 단위로 적용하여 대칭적인 OFF 영역에서 배경을 추정하며, 동일한 입사각과 고체각을 확보한다.
• 신호 영역 및 배경 영역에서 근처의 VHE 소스에 의한 오염을 방지하기 위해 제외 영역(마스크)을 적용한다.
• 에너지별 분광 상한선은 95% 신뢰수준에서 0.2 디엑스 에너지 간격으로 계산되며, 파워 레인지 지수 Γ = 1.9 및 20%의 시스템적 불확실성을 가정한다.
• 페르미-LAT 데이터와의 공동 스펙트럼 모델링을 수행하며, 10 GeV 이상에서 페르미-LAT 결과와 일치하는 파워 레인지 스펙트럼을 가정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 페르미 기포 방출이 1 테바르드 이하에서 관측된 딱딱한 페르미-LAT 스펙트럼에 따라 테바르드 에너지 영역까지 연장되는가?
• RQ2 기포 기저에서 관측된 감마선 스펙트럼은 핵반응 또는 전자반응 과정으로 설명될 수 있는가?
• RQ3 AGN 유사 폭발과 항성 형성 유도 유출 간의 차이를 구분할 수 있는 기반 기저에서 VHE 성분의 증거가 있는가?
• RQ4 은하중심 영역, 특히 페르미 기포 기저 근처에서 H.E.S.S.가 확산된 VHE 방출에 대해 어떤 민감도를 가지는가?
• RQ5 H.E.S.S. 상한선은 페르미 기포의 내재된 스펙트럼 형태 및 방출 메커니즘을 어떻게 제약하는가?

주요 결과

• H.E.S.S. 관심 영역에서 유의미한 감마선 초과는 관측되지 않아, 페르미 기포 기저에서 통계적으로 유의미한 테바르드 방출이 존재하지 않음을 시사한다.
• 1 테바르드에서 95% 신뢰수준 상한선은 약 ~2×10⁻⁹ TeV⁻¹cm⁻²sr⁻¹로 도출되었으며, 강한 VHE 성분이 존재하지 않는 것과 일치한다.
• 상한선는 파워 레인지 스펙트럼 지수 Γ = 1.9를 가정하여 계산되었으며, 고에너지 영역에서 페르미-LAT 스펙트럼 지수와 일치한다.
• 광도 캘리브레이션에 20%의 시스템적 불확실성을 고려하여, 신뢰할 수 있는 상한선 추정이 이루어졌다.
• 결과는 페르미-LAT 스펙트럼이 1 테바르드까지 딱딱한 상태를 유지하고 있음을 시사하지만, VHE 성분이 존재하는지는 확인하지 못했다.
• 이 연구는 핵반응 모델에 엄격한 제약을 가하며, 테바르드 에너지에서 기포 매질 내 강한 양성자-양성자 상호작용을 배제한다.