[논문 리뷰] Study of the VHE diffuse emission in the central 200 pc of our Galaxy with H.E.S.S

A. Lemière, R. Terrier외 3명|arXiv (Cornell University)|2015. 10. 15.

Astrophysics and Cosmic Phenomena인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 259시간의 H.E.S.S. 데이터와 2차원 최대우도 적합 방법을 사용하여 은하수 중심 200 pc 내의 매우 높은 에너지(VHE) 확산 감마선 방사선을 재분석한다. 약 50%의 리지 방사선이 밀도 높은 가스 트레이서와 상관관계가 있음을 확인하고, 밀도 높은 가스와 관련이 없는 대규모 확산 성분을 밝혀내며, 펄서 풍 난류 후보와 공간적으로 일치하는 새로운 소스 HESS J1746−285를 탐지하여 중심 블랙홀에 의해 유도될 수 있는 반경 방향 우주선 기울기의 가능성을 제기한다.

ABSTRACT

The very high energy emission from the Galactic Center Ridge was revealed by the High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) in 2006, after subtraction of the point sources HESS J1745-290, possibly associated with Sgr A$^\star$, and HESS J1747$-$281, associated with the composite supernova remnant G0.9$+$0.1. The hard spectrum of the Ridge emission and its spatial correlation with the local gas density suggest that the emission is due to collisions of multi-TeV cosmic rays with the dense clouds of interstellar gas present in this region. The much larger H.E.S.S. dataset (250 hrs) that is now available from this region and the improved analysis method dedicated to the detection of faint emission allow us to reconsider the characterization of this gamma-ray emission in the central 200 pc of our Galaxy through a detailed morphology study. To test the various contributions to the total gamma-ray emission, we use a 2D maximum likelihood approach that allows to constrain a phenomenological model of the signal. We discuss the nature of the various components, and their implication on the cosmic-ray distribution in the central region of our Galaxy. Finally, we will reveal an additional source in this region and will discuss its potential nature.

연구 동기 및 목표

• 더 큰 데이터셋과 향상된 분석 기법을 사용하여 은하수 중심 200 pc 내 VHE 확산 감마선 방사선의 형태와 기원을 재특성화하기.
• 이전에 제안된 linely 우주선이 밀도 높은 분자 가스와 상호작용하여 발생하는 것이 주요 원인인지 테스트하기.
• 밀도 높은 가스 트레이서와 상관관계가 없는 추가 성분, 예를 들어 해소되지 않은 소스나 확산 가스 상황을 식별하고 특성화하기.
• 중앙 초과 성분의 존재를 조사하고, 중심 분자 영역 내 우주선 가속화에 대한 함의를 탐색하기.

제안 방법

• 공간 분포를 모델링하기 위해 감마선 이미지에 2차원 최대우도 적합 기법을 적용하여 정밀한 형태 분해를 가능하게 한다.
• HAP-Fr 파이프라인 내에서 다변량 분석 절차를 사용하여 신호 대 배경 비율을 향상시키고, 해상도를 R68% = 0.077°로 향상시킨다.
• 배경은 반사 영역 방법을 사용하여 추정하며, 온소스 영역과 크기와 오프셋이 일치하는 오프소스 영역를 선택하여 체계적 오차를 최소화한다.
• 감마선 형태와 비교하기 위해 CS 및 HCN과 같은 가스 트레이서를 템플릿으로 사용하고, 가스 및 감마선 프로파일 간의 불일치를 보정하기 위해 0.8°의 가우시안 스무딩을 적용한다.
• 잔차 지도의 유의성을 검증하고 잠재적 신규 소스를 탐지하기 위해 100개의 포isson 실현을 포함한 몬테카를로 시뮬레이션을 사용한다.
• 다양한 성분을 포함하는 현상학적 모델을 구축한다: 밀도 높은 가스와 상관관계가 있는 리지 성분, 대규모 확산 성분, 중앙 초과 성분, 그리고 새로운 점원천.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이전에 유추된 linely 우주선이 밀도 높은 분자 가스와 상호작용하여 발생하는 것과 같이, 은하수 중심의 VHE 확산 감마선 방사선이 주로 이와 같은 상호작용에 기인하는가?
• RQ2 밀도 높은 가스 트레이서와 상관관계가 없는 대규모 확산 방사선 성분의 기원은 무엇인가?
• RQ3 은하수 중심 30 pc 내에서 우주선 밀도의 반경 방향 기울기가 존재하는가? 그 물리적 기원은 무엇인가?
• RQ4 최근 탐지된 소스 HESS J1746−285는 펄서 풍 난류 후보 G0.13−0.13과 물리적으로 연관되어 있는가? 그 성격은 무엇인가?
• RQ5 해소되지 않은 소스나 확산 분자 가스 상황이 상관관계가 없는 확산 감마선 방사선에 얼마나 기여하는가?

주요 결과

• 약 50%의 VHE 리지 방사선이 CS와 같은 밀도 높은 가스 트레이서와 공간적으로 상관관계가 있으며, 이는 다이테르미컬한 우주선이 멀티-테르바르 우주선과 상호작용함을 일관되게 뒷받침한다.
• 데이터를 적합하기 위해 대규모 확산 방사선 성분이 필요하며, 이는 밀도 높은 가스 트레이서와 상관관계가 없고, 해소되지 않은 소스나 약 100 cm⁻³ 밀도의 확산 분자 가스 상황에서 기인할 수 있다.
• Sgr A⋆에서 약 ~30 pc 내부에서 중앙 초과 성분이 탐지되었으며, 반경 방향 범위는 약 14 pc로, 중심 소스(예: 초거대 블랙홀)에 의해 유도될 수 있는 1/r 유사 우주선 기울기와 일치한다.
• 신규 감마선 소스 HESS J1746−285가 점원천으로서의 유의 수준에서 탐지되었으며, 펄서 애치와 X선 펄서 풍 난류 후보 G0.13−0.13와 공간적으로 일치한다.
• 리지 방사선의 스펙트럼 기울기는 2.3 ± 0.1로 측정되었으며, 지역 우주선 플럭스보다 더 딱딱한 스펙트럼임을 나타내어 해당 영역에서 지속적이거나 최근의 입자 가속화가 일어나고 있음을 지지한다.
• 100–150 pc 이상에서 감마선과 가스 프로파일 간의 불일치는 가스 열량 밀도에 대해 σ = 0.8°의 가우시안 스무딩을 적용함으로써 보정되며, 이는 우주선 밀도 감소와 시선 방향 물질 분포의 조합을 시사한다.