[논문 리뷰] TeV Gamma Rays From Galactic Center Pulsars

Dan Hooper, Ilias Cholis외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 05. 25.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 46인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 은하중심에서 관측된 매우 높은 에너지(VHE) 감마선이 사망한 별의 중심에서 발생하는 테바론(TeV) 홀로 인해 발생하는 것으로 제안하며, 이는 Sgr A*에 의한 양성자 유도 π 생성 모델이 아닌, 젊고 중년의 펄서 집단에 의해 발생하는 것으로 본다. 모델은 은하중심 근처의 펄서들이 스핀 감소 에너지의 상당 부분을 고에너지 전자와 양전자로 방출하여, 역-콤프턴 산란을 통해 기저 광자를 스트레스하여 확장된, 공간적으로 넓은 VHE 복사를 생성한다고 가정한다. 필요한 중성자별 탄생률은 매 백만 년당 490⁺⁵⁸⁰₋₃₇₀로 추정되며, 이는 대질량 항 星 및 X선 이중성계 인구의 기대치와 일치한다.

ABSTRACT

Measurements of the nearby pulsars Geminga and B0656+14 by the HAWC and Milagro telescopes have revealed the presence of bright TeV-emitting halos surrounding these objects. If young and middle-aged pulsars near the Galactic Center transfer a similar fraction of their energy into TeV photons, then these sources could plausibly dominate the emission that is observed by HESS and other ground-based telescopes from the innermost $\sim$$10^2$ parsecs of the Milky Way. In particular, both the spectral shape and the angular extent of this emission is consistent with TeV halos produced by a population of pulsars, although the reported correlation of this emission with the distribution of molecular gas suggests that diffuse hadronic processes also must contribute. The overall flux of this emission requires a birth rate of ~100-1000 neutron stars per Myr near the Galactic Center, in good agreement with recent estimates.

연구 동기 및 목표

• 매우 높은 에너지(VHE) 감마선 방출의 기원을 재평가하여 기존의 양성자 기반 π 생성 모델에 도전한다.
• 관측된 스펙트럼 형태, 각도적 확장, 그리고 VHE 복사의 세기와 테바론 전자 및 양전자를 방출하는 펄서 집단에 의해 설명될 수 있는지 조사한다.
• 근처의 펄서인 Geminga와 B0656+14의 관측 결과와의 일관성을 평가한다.
• 관측된 VHE 복사에 기인한 은하중심의 중성자별 탄생률을 추정하고, 천체물리학적 기대치와 비교한다.

제안 방법

• 저자들은 HAWC와 Milagro의 관측 데이터를 활용하여 근처 펄서인 Geminga와 B0656+14의 테바론 홀을 기반으로 복사 메커니즘의 템플릿을 설정한다.
• 펄서가 생성하는 고에너지 전자 및 양전자에 의한 저에너지 광자의 역-콤프턴 산란을 모델링하며, 동기복사 및 역-콤프턴 과정에 의해 결정되는 에너지 손실률을 적용한다.
• 상대론적 전자 냉각 방정식을 사용하여 에너지 손실률을 계산하며, 이는 톰슨 단면적과 CMB, 별빛, 적외선 성분의 복사장 밀도를 포함한다.
• 펄서가 내부 파라세크(1 pc 이내)에서 탄생하고, 탄생 시 충격을 받는다고 가정하여 펄서 집단 모델을 수립하며, 이는 외부로의 이동과 확장된 복사 형태를 유도한다.
• 일정한 탄생률과 스핀 감소 에너지의 일부가 VHE 렙톤으로 전환된다고 가정하여, 펄서 집단 전체에 걸쳐 VHE 감마선 총량을 적분하여 계산한다.
• 모델은 HESS가 관측한 은하중심 복사 스펙트럼과 각도적 확장을 일치시키기 위해 校정되며, 역모델링을 통해 필요한 탄생률이 유도된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 은하중심에서의 VHE 감마선 복사의 스펙트럼 형태와 각도적 확장은 펄서가 생성하는 테바론 전자 및 양전자에 의한 역-콤프턴 복사로 설명될 수 있는가?
• RQ2 펄서가 스핀 감소 에너지의 일부를 VHE 렙톤으로 방출한다고 가정할 때, 관측된 VHE 복사 세기를 설명하기 위해 은하중심에서 필요한 중성자별 탄생률은 얼마인가?
• RQ3 관측된 VHE 복사와 분자의 가스 분포 간의 상관관계는 펄서 기원과 일치하는가, 아니면 히드론 성분이 필요하는가?
• RQ4 펄서의 탄생 충격은 VHE 복사의 공간적 형태에 어떤 영향을 미치며, 약 100 파세크까지의 관측된 확장을 설명할 수 있는가?
• RQ5 Sgr A* 근처에서 라디오 펄서가 탐지되지 않는다는 점은, 대부분의 펄서가 매그네타르 또는 비추출 방향으로 방출하는 경우에도 높은 펄서 탄생률과 일치할 수 있는가?

주요 결과

• 은하중심에서 관측된 VHE 감마선 스펙트럼과 각도적 확장은 펄서 집단에 의한 역-콤프턴 복사와 일치하며, Geminga와 B0656+14의 테바론 홀 스펙트럼 형태와도 일치한다.
• 관측된 근처 펄서의 데이터를 바탕으로, 은하중심의 펄서들이 스핀 감소 에너지의 7.2%에서 29%를 VHE 전자 및 양전자로 전환해야 한다고 추정된다.
• 관측된 복사 세기를 설명하기 위해 필요한 총 중성자별 탄생률은 매 백만 년당 490⁺⁵⁸⁰₋₃₇₀로 추정되며, 이는 대질량 항성 및 저질량 X선 이중성계 인구의 이론적 추정치와 일치한다.
• 복사의 공간적 확장은 탄생 충격으로 인해 펄서들이 외부로 이동함으로써 자연스럽게 설명된다. 이는 VHE 렙톤의 기원이 은하중심에서 떨어진 곳에 있음을 의미한다.
• 모델은 지구 방향을 향한 빔을 가진 펄서의 약 25~190개가 향후 라디오 조사에서 탐지 가능할 것으로 예측한다.
• 히드론 성분이 기여하더라도 모델은 유지 가능하며, 관측된 분자의 가스 분포와의 상관관계는 직접적인 인과관계가 아니라, 가스와 펄서가 함께 존재하기 때문일 수 있다.