[논문 리뷰] Sky monitoring with ARGO-YBJ

S. Vernetto, Z. Guglielmotto외 1명|arXiv (Cornell University)|2009. 07. 27.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 2인용 수 12

한 줄 요약

ARGO-YBJ는 티베트에 위치한 전체 영역을 커버하는 공기 시료 검출기를 사용하여 에너지 >0.6 TeV에서 424일간의 천구 모니터링 조사를 수행했으며, 크랩 성운성(7.0σ)과 Mrk421(8.0σ)을 높은 유의성로 탐지하였다. 이 연구는 10°–30°의 각도 크기를 가진 두 개의 설명되지 않은 고에너지 우주선 초과 영역을 밝혀내었고, Mrk421에서 10일 및 30일 시간스케일에서 뚜렷한 활성화 현상(플레어)을 관측하였으며, 이는 X선 플레어와 상관이 있었다.

ABSTRACT

A sky monitoring at gamma ray energy E > 0.6 TeV has been performed by the full coverage Extensive Air Shower detector ARGO-YBJ, located in Tibet at 4300 m of altitude. We monitored 135 galactic and extragalactic gamma ray sources in the sky declination band from -10 to +70 degrees for 424 days, detecting the Crab Nebula and Mrk421 with a significance respectively of 7.0 and 8.0 standard deviations. For a set of 11 AGNs known to emit in the TeV energy range, the search has been performed in time scales of 1, 10 and 30 days in order to study possible flaring activities. Significant emissions has been observed from Mrk421 in the time scales of 10 and 30 days, during June and March 2008, when the source had a strong activity also observed in the X-rays waveband. The analysis of the background has revealed the existence of a significant excess of the CR flux in two localized regions of angular size 10-30 degrees, in agreement with previous indications.

연구 동기 및 목표

• 티베트에 위치한 ARGO-YBJ 공기 시료 검출기를 사용하여 E > 0.6 TeV에서 고에너지 감마선 천구를 모니터링하는 것.
• 특히 변동성이 있는 활성 은하핵(AGNs)인 매우 높은 에너지 감마선의 점원천을 탐지하고 특성화하는 것.
• Milagro가 이전에 관측한 중규모 우주선 이방형의 기원을 조사하는 것.
• 1일, 10일, 30일 시간스케일에서 알려진 TeV AGNs의 시간에 따라 변하는 감마선 방출을 연구하는 것.
• 배경 제거 및 각도 해상도 향상 기법을 통해 감마선 천체 탐지 민감도를 향상시키는 것.

제안 방법

• ARGO-YBJ는 6600 m²의 활성 면적을 가진 153개의 저항판 침판(RPC) 클러스터로 구성된 전체 영역 커버리지 어레이를 사용하여, 우주선과 감마선으로 인한 광범위한 공기 시료를 탐지하였다.
• 이벤트는 중심 카펫에서 40개 이상의 패드가 발화되고, 천정 각도가 40° 이하인 경우에 선택되었으며, 패드 발화의 시간 및 공간 정보를 통해 도착 방향이 재구성되었다.
• 배경을 추정하기 위해 시간 스왑 방법을 사용하였으며, 4시간 버퍼에서 무작위 시간 이동을 이용해 각 실제 이벤트당 10개의 가짜 이벤트를 생성하였다.
• HEALPix 격자화를 사용하여 천구도를 제작하였으며, 각도 해상도는 각각 N_pad ≥ 40, 100, 300에 대해 ψ = 1.3°, 0.7°, 0.5°로 최적화되었다.
• 신호도를 얻기 위해 배경도를 이벤트도에서 빼내었으며, 각 픽셀에서 초과의 통계적 유의성을 계산하였다.
• AGN 후속 분석을 위해 11개의 알려진 TeV 방출 AGNs에 대해 1일, 10일, 30일 간격으로 시간 해상도 분석을 수행하였으며, EBL 흡수를 고려한 파wr-법 스펙트럼을 가정하여 유효 방출율 상한을 유도하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 설명도 범위 -10°에서 +70° 사이에서 E > 0.6 TeV에서 천구에 뚜렷한 점원천 형태의 감마선 천체가 존재하는가?
• RQ2 ARGO-YBJ는 1일, 10일, 30일 시간스케일에서 알려진 TeV AGNs의 플레어 활동을 탐지할 수 있는가?
• RQ3 천구에서 관측된 두 개의 중규모 우주선 초과 영역(각각 10°–30° 크기)의 기원은 무엇인가?
• RQ4 검출기의 각도 해상도와 배경 제거 성능이 천체 탐지 민감도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 탐지되지 않은 AGNs의 관측된 방출율 상한이 그들의 본질적 방출 특성을 어느 정도 제약하는가?

주요 결과

• 크랩 성운성은 에너지 범위 E > 0.6 TeV에서 7.0 표준편차의 유의성으로 탐지되었다.
• Mrk421는 8.0 표준편차의 유의성으로 탐지되어, 강력한 TeV 감마선 천체로서의 위치를 확인하였다.
• 2008년 3월과 6월에 Mrk421에서 10일 및 30일 시간스케일에서 뚜렷한 플레어 활동이 관측되었으며, 이는 X선 플레어와 일치하였다.
• α ~ 120°, δ ~ 40° 및 α ~ 240°, δ ~ 40°에 위치한 두 개의 설명되지 않은 우주선 초과 영역이 밝혀졌으며, 각각 약 10°–30°의 각도 척도에서 방출률이 약 0.1% 증가하였다.
• 탐지되지 않은 AGNs에 대해 0.6 TeV 이상의 통합 방출율 상한을 유도하였으며, 424일 동안 평균적으로 11개의 소스에 대해 가장 민감한 상한은 약 1.5 × 10⁻¹² ph cm⁻² s⁻¹이었다.
• 지속 시간이 n일인 일시적 플레어의 방출율 상한은 총 424일 상한을 √(T/n)로 스케일링하여 추정할 수 있으며, 여기서 T = 424일이다.