[논문 리뷰] VERITAS Observations of Globular Clusters

Michael McCutcheon|arXiv (Cornell University)|2009. 07. 28.

Astrophysics and Cosmic Phenomena인용 수 14

한 줄 요약

이 연구는 VERITAS 관측을 통해 세 개의 북반천구개성운(M15, M13, M5)으로부터 매우 고에너지(VHE) 감마선 방출을 조사하며, 두 가지 메커니즘을 시험한다: 밀리초 펄서에서의 누적 직접 방출과 충돌하는 펄서 풍에 의한 역방향 콜로모프 방출. 600 GeV 이상에서 유의미한 VHE 방출은 관측되지 않았으며, 이는 충돌하는 풍 모델을 제약하고, 이러한 천구에서의 펄서 인구가 현재 관측 결과와 약 10배 이내에서 일치함을 시사한다.

ABSTRACT

It has been postulated that globular clusters could be sources of Very-High Energy (VHE) gamma rays, powered by milli-second pulsars. This could be due to cumulative direct emission or to plerion-type emission driven by colliding winds. In particular the southern hemisphere globular cluster 47 Tuc has been singled out as a potential source in both models. In light of the recent detection by the Fermi Gamma-ray Space Telescope (FGST) of 47 Tuc, the first detection of any globular cluster as a gamma-ray source, we present the results of observations of northern hemisphere globular clusters by VERITAS. Three globular clusters have been observed: M15, M13 and M5. Of these, M15 and M13 have been explicitly proposed as VHE gamma-ray sources and M5 possess similarities with them.

연구 동기 및 목표

• 천구개성운이 밀리초 펄서에서의 누적 방출 또는 충돌하는 풍 충격에 의해 VHE 감마선을 방출할 수 있다는 가설을 시험하기 위해.
• 특히 VERITAS를 포함한 이미징 공기 체렌코프 망원경(IACT)을 사용하여 이러한 방출의 검출 가능성 평가하기 위해.
• VHE 방출 상한을 이용해 천구개성운 내 밀리초 펄서 인구를 제약하기 위해.
• 충돌하는 풍 모델에서 이론적 예측과 관측된 방출 상한 간의 일관성 평가하기 위해.

제안 방법

• VERITAS는 M15, M13, M5에서 2~4台의 망원경을 사용하여 393~900분 동안 관측을 수행하였다.
• 이미지 품질 컷을 사용해 데이터를 필터링: 최소 4개의 연속된 픽셀, 가장자리 픽셀에서 20% 이하의 전하, 각 이미지당 100개 이상의 광전자.
• 배경 비율은 반사 영역 방법을 사용하여 추정하였으며, α = N_ON / N_OFF로 정의되었다.
• 감마선-핵반응 분리 및 스테레오 재구성 기법을 적용하여 공기 샤워 이미지를 식별하고 소스의 유의미성을 추출하였다.
• 헬레네 방법을 사용하여 99% 신뢰수준에서 방출 상한을 계산하였으며, 크랩과 유사한 파wer-법칙 스펙트럼(Γ = -2.5)을 가정하였다.
• M15의 경우, 시운전 기간 동안 완전한 시뮬레이션 데이터가 없어 동시 관측된 크랩 데이터로부터 방출을 스케일링하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 밀리초 펄서에서의 이론적 방출 예측을 고려할 때, IACT(예: VERITAS)로 천구개성운의 VHE 감마선 방출을 검출할 수 있는가?
• RQ2 충돌하는 풍 모델 하에서 관측된 방출 상한이 천구개성운 내 밀리초 펄서 수에 얼마나 강하게 제약을 가하는가?
• RQ3 100개의 펄서와 1% 가속 효율을 가진 인구에 대해 이론적 예측과 M15, M13, M5의 VHE 방출 상한은 어떻게 비교되는가?
• RQ4 검출 실패는 이러한 천구에서의 누적 직접 방출 메커니즘이 배제된다는 것을 의미하는가?
• RQ5 충돌하는 풍 모델에서 추정된 방출은 복사 밀도 및 핵 반경과 같은 천체적 특성과 어떻게 스케일링되는가?

주요 결과

• M15, M13, M5에서 600 GeV 이상에서 유의미한 VHE 감마선 방출은 관측되지 않았으며, 각각 검정통계량은 -1.3σ, 1.0σ, -0.3σ였다.
• M15의 99% 신뢰수준에서의 방출 상한은 600 GeV 이상에서 1.1 × 10⁻¹² erg/s/cm²이며, 이는 크랩 성운 방출의 1.6%에 해당한다.
• M13의 방출 상한은 1.5 × 10⁻¹² erg/s/cm²(크랩의 2.2%), M5의 경우 0.4 × 10⁻¹² erg/s/cm²(크랩의 0.6%)였다.
• 충돌하는 풍 모델 하에서, 허용 가능한 최대 펄서 인구는 M15에서 53개, M13에서 36개, M5에서 30개로 추정되었다.
• 이 제약은 실제 펄서 인구가 유리한 방출 매개변수를 가정할 경우 알려진 관측 수치와 약 10배 이내에서 일치함을 시사한다.
• 결과는 이 천구개성운에서 VHE 방출이 충돌하는 풍 모델의 가장 유리한 조건 하에서도 VERITAS로는 검출 가능하지 않다는 가설과 일관됨.