[논문 리뷰] Spectral modelling of a H.E.S.S.-detected pulsar wind nebula

Carlo van Rensburg, Kruger, P. P.외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 04. 20.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 4인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 펄서 풍 성운(PWNe)의 스펙트럼 에너지 분포(SED)를 시뮬레이션하기 위해 Fokker-Planck 운반 방정식을 시간에 따라 변화하는 다중 영역의 렙톤 모형으로 해결하는 시간 의존 다중 영역 모형을 제시한다. 이 모형은 동기방출과 역방출 콜로모르 방출을 포함한다. 모형은 H.E.S.S. VHE, X선 및 라디오 데이터를 바탕으로 G0.9+0.1의 광역 SED을 성공적으로 재현하며, 공간적 확산과 에너지 손실, 특히 역방출 콜로모르 손실을 고려함으로써 단일 영역 모형보다 더 높은 정확도를 보인다.

ABSTRACT

In the last decade ground-based Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes have discovered roughly 30 pulsar wind nebulae at energies above 100 GeV. We present first results from a leptonic emission code that models the spectral energy density of a pulsar wind nebula by solving the Fokker-Planck transport equation and calculating inverse Compton and synchrotron emissivities. Although models such as these have been developed before, most of them model the geometry of a pulsar wind nebula as that of a single sphere. We have created a time-dependent, multi-zone model to investigate changes in the particle spectrum as the particles diffuse through the pulsar wind nebula, as well as predict the radiation spectrum at different positions in the nebula. We calibrate our new model against a more basic previous model and fit the observed spectrum of G0.9+0.1, incorporating data from the High Energy Stereoscopic System as well as radio and X-ray experiments.

연구 동기 및 목표

• 입자 확산과 에너지 손실을 다중 영역에서 고려한 공간적으로 해상도가 높고 시간에 따라 변화하는 펄서 풍 성운(PWNe) 모델을 개발한다.
• 입자 스펙트럼과 복사 방출의 반경 의존성을 포함함으로써 단일 구형 모형을 개선한다.
• 기존의 기준 모형과의 캘리브레이션을 통해 새로운 모델을 검증하고, G0.9+0.1의 관측된 SED를 통해 검증한다.
• 미래의 인구 연구를 통해 테바 표면 빛의 세기와 펄서의 스핀-다운 빛의 세기 간의 관계를 조사한다.

제안 방법

• 모형은 확산, 에너지 손실(동기방출 및 역방출 콜로모르), 그리고 파워-로우 법 스펙트럼을 가진 불연속 파워-로우 스펙트럼을 통한 입자 주입을 고려한 Fokker-Planck 운반 방정식을 해결한다.
• 펄서의 스핀-다운 빛의 세기에 기반한 시간 의존 입자 주입률을 사용하며, $ L(t) = L_0 / (1 + t/\tau_0)^2 $ 이고, 변환 효율 $ \epsilon = 0.6 $ 이다.
• 역방출 콜로모르 산산화를 위해 세 가지의 연약한 광자 필드(CMB, 적외선, 항성 빛)를 포함하며, 에너지 의존성 교차 단면적과 광자 수 밀도를 고려한다.
• 동기방출은 임계 주파수 $ \nu_{\text{cr}} $ 와 수정 Bessel 함수를 사용해 계산하고, 역방출 콜로모르 방출 밀도는 에너지 및 각도 의존성 산산화 핵을 통해 계산한다.
• 다중 영역 구형 기하학을 사용하며, 전자가 중심에서 주입되어 외부로 확산되며, 내부는 반사 경계 조건, 외부는 영 제로 경계 조건을 가진다.
• 선로의 시야에서의 플럭스는 거리 $ d = 8.5 $ kpc 를 고려하여, 원통형 경로가 구형 영역과 겹치는 부분에 대해 부피 방출 밀도를 적분하여 계산한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다중 영역 시간 의존 모형은 단일 영역 모형에 비해 PWN 스펙트럼 에너지 분포(SED) 예측의 정확도를 어떻게 향상시키는가?
• RQ2 역방출 콜로모르 손실은 PWN 내 다양한 반경에서 전자 에너지 스펙트럼과 그로 인한 복사 방출에 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 H.E.S.S., X선 및 라디오 데이터를 사용하여 모형은 관측된 G0.9+0.1의 광역 SED를 어느 정도 재현할 수 있는가?
• RQ4 관측된 비해상적 불일치에 기반한 가설에 따르면, 모형이 예측하는 테바 표면 빛의 세기와 펄서의 스핀-다운 빛의 세기 간에 상관관계가 있는가?
• RQ5 자기장과 전자 분포의 공간적 변동은 동기방출 및 역방출 콜로모르 방출 밀도의 반경 의존성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 모형은 라디오, X선 및 VHE 감마선 데이터를 포함한 G0.9+0.1의 광역 SED을 에너지 대역 전반에서 양호한 일치로 성공적으로 재현한다.
• 운반 모형에 역방출 콜로모르 손실을 포함시킴으로써, 이전 기준 모형이 이러한 손실을 무시한 점을 감안할 때 동기방출 성분이 낮아진다.
• 모형은 높은 에너지 전자가 더 빨리 에너지를 잃고 더 작은 반경에서 방출하므로, 테바 표면 빛의 세기가 반경에 따라 감소하는 것을 예측한다.
• 자기장 40.0 $\mu$G, 펄서 연령 1900년, 그리고 $ P = 52 $ ms 와 $ \dot{P} = 1.5557 \times 10^{-13} $ 에 일치하는 스핀-다운 빛의 세기 등을 포함한 피팅된 매개변수들은 물리적으로 타당하며 관측 결과와 일치한다.
• 모형은 공간적 확산과 에너지 손실 효과가 성운 전반에서 전자 스펙트럼을 크게 변화시킨다는 것을 보여주며, 단일 영역 근사보다 다중 영역 모델링의 필요성을 정당화한다.
• 모형 [2]과의 캘리브레이션 결과 양호한 일치를 보였으며, 향후 인구 연구를 위한 새로운 프레임워크의 신뢰성을 확인한다.