[논문 리뷰] Upper limits on the VHE $γ$-ray flux from the ULIRG Arp 220 and other galaxies with VERITAS

Henrike Fleischhack|arXiv (Cornell University)|2015. 08. 24.

Astrophysics and Cosmic Phenomena인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 VERITAS 관측을 통해 초고광도 적외선 금성(ULIRG)인 아르프 220과 다른 세 갤럭시에 대한 매우 높은 에너지(VHE) 감마선 방출에 대해 지금까지 가장 민감한 상한선을 제시한다. 30시간 이상의 통합 후에도 유의미한 탐지가 없었음에도 불구하고, 이 상한선은 은하계 입자 가속 및 별형성 및 ULIRG 환경에서의 VHE 감마선 생성 이론 모델을 제약하며, 99% 신뢰수준에서 가장 낙관적인 예측을 배제한다.

ABSTRACT

The cores of ultra-luminous infrared galaxies (ULIRGs) are very dense environments, with a high rate of star formation and supernova explosions. They are thought to be sites of cosmic-ray acceleration, and are predicted to emit $γ$-rays in the GeV to TeV range. So far, no ULIRG has been detected in $γ$-rays. Arp 220, the closest ULIRG to Earth, has been well studied, and detailed models of $γ$-ray production in this galaxy are available. They predict a rather hard $γ$-ray spectrum up to several TeV. Due to its large rate of star formation, high gas density, and its close proximity to Earth, Arp 220 is thought to be a very good candidate for observations in very-high-energy (VHE; 100 GeV - 100 TeV) $γ$-rays. Arp 220 was observed by the VERITAS telescopes for more than 30 hours with no significant excess over the cosmic-ray background. The upper limits on the VHE $γ$-ray flux of Arp 220 derived from these observations are the most sensitive limits presented so far and are starting to constrain theoretical models. We also present upper limits for the VHE flux from the ULIRG IRAS 17204-0014, the starburst galaxy IC 342, and the active galaxy 3C321.

연구 동기 및 목표

• 고밀도 간성 물질과 높은 별 형성률을 지닌 근거리 ULIRG인 아르프 220에서 VHE 감마선 방출을 탐색하기 위해.
• 고밀도 별 형성 환경에서 입자 가속을 통한 VHE 감마선 생성 이론 모델을 검증하기 위해.
• 지금까지 가장 민감한 관측 상한선을 사용하여, 별형성 및 ULIRG 은하에 대한 VHE 플럭스 예측을 향상시키기 위해.
• 특히 탐지되지 않은 경우를 포함하여, 별 형성 은하에서 VHE-FIR 광도 상관관계의 일관성을 평가하기 위해.
• 현재 IACT(예: VERITAS)가 고광도·고밀도 은하에서 VHE 방출을 탐지하는 데 얼마나 민감한지 평가하기 위해.

제안 방법

• VERITAS는 아르프 220과 다른 세 갤럭시(IRS 17204-0014, IC 342, 3C321)에 대해 총 30시간 이상의 깊은 관측을 수행하였다.
• 우수한 감마선 소스 추출 및 배경 모델링 기법을 사용하여, 간성선 배경을 초월하는 초과 사건을 탐색하였다.
• 별형성 은하의 경우 스펙트럼 지수 -2.5, 활성 은하 3C321의 경우 -3.0를 가정한 파wer-라우드 스펙트럼을 기반으로 통합 플럭스 상한선을 계산하였다.
• 에너지 스케일의 체계적 불확실성(20%)을 고려하여, 스펙트럼 지수에 따라 최대 40%까지 플럭스 상한선에 영향을 미쳤다.
• 이론적 플럭스 예측은 M82의 측정된 VHE 플럭스와 FIR 광도를 기반으로 한 스케일링 관계를 사용하여 비교하였다.
• 다양한 이론적 프레임워크에서의 발표된 예측과 비교를 통해, 칼로리메트릭 조건과 EBL 흡수를 가정한 모델을 포함하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 VERITAS를 통해 아르프 220과 다른 별 형성 은하에 대해 VHE 감마선 플럭스에 대해 가장 엄격한 상한선는 무엇인가요?
• RQ2 VERITAS의 상한선는 ULIRG에서 VHE 감마선 방출에 대한 기존 이론 모델을 어느 정도 제약합니까?
• RQ3 고광도 별 형성 은하에서의 비탐지 결과를 통해 VHE-FIR 광도 상관관계는 확인되거나 도전받을 수 있나요?
• RQ4 에너지 스케일과 스펙트럼 지수 가정의 체계적 불확실성은 비탐지 결과의 해석에 어떤 영향을 미칩니까?
• RQ5 아르프 220에서 VHE 방출을 탐지하거나 배제하기 위해 향후 어떤 관측 능력이 필요합니까?

주요 결과

• VERITAS는 아르프 220에 대해 30시간 이상 관측했으나 유의미한 감마선 초과가 없었으며, E > 500 GeV에서 99% 신뢰수준 상한선 ≤ 1.90 × 10⁻¹⁰ ph cm⁻² s⁻¹을 설정하였다.
• 아르프 220에 대한 상한선는 지금까지 가장 민감하며, 99% 신뢰수준에서 가장 낙관적인 VHE 방출 이론 모델을 배제한다.
• IC 342에 대한 상한선은 ≤ 1.6 × 10⁻¹⁰ ph cm⁻² s⁻¹ (E > 500 GeV)이며, M82 스케일링 관계에 기반한 근사 예측과 일치한다.
• IRS 17204-0014의 경우 상한선은 ≤ 1.0 × 10⁻¹⁰ ph cm⁻² s⁻¹ (E > 600 GeV)이며, M82 기반의 플럭스 추정과도 일치한다.
• 활성 은하 3C321에 대한 상한선은 ≤ 1.90 × 10⁻¹⁰ ph cm⁻¹ s⁻¹ (E > 500 GeV)이며, 스펙트럼 지수 -3.0를 가정하여 유도되었다.
• 결과는 아르프 220에 대한 이론적 예측의 하한부와 일치하며, 현재 IACT가 방출을 탐지하거나 배제하기에 필요한 민감도에 거의 도달하고 있음을 시사한다.