[논문 리뷰] VERITAS observations of HESS J0632+057

G. Maier|arXiv (Cornell University)|2009. 07. 23.

Gamma-ray bursts and supernovae인용 수 3

한 줄 요약

VERITAS가 비연결된 VHE 감마선 소스 HESS J0632+057를 관측한 결과, 1 TeV 이상의 복사에서 뚜렷한 변동성이 확인되었으며, 이는 이전 H.E.S.S. 측정과 비교할 때 복사율 변화의 가능성이 4σ 수준임을 시사한다. 결과는 LS I +61 303 또는 LS 5039와 유사한 테바론 이진 시스템일 가능성이 있으며, 상대론적 제트나 충격파에서 입자 가속에 의해 감마선 복사가 발생할 수 있으며, 이는 질량이 큰 별 MWC 148와 관련이 있을 수 있음을 지지한다.

ABSTRACT

HESS J0632+057 is one of only two unidentified high energy gamma-ray sources which appear to be point-like in nature. It is possibly associated with the massive star MWC 148 and has been suggested to resemble known TeV binary systems like LS I +61 303 or LS 5039. These binaries are rare and extreme (only three TeV binaries are known to date), and their gamma-ray emission mechanism has not been understood. HESS J0632+057 was observed by VERITAS, an array of four 12 m imaging atmospheric Cherenkov telescopes, in 2006, 2008 and 2009. Based on these observations we present evidence for variability in the high energy gamma-ray emission from HESS J0632+057.

연구 동기 및 목표

• HESS J0632+057, 즉 점원형이고 연관성이 없는 VHE 소스에서 고에너지 감마선 복사의 변동성을 조사하기 위해.
• 점원형 형태와 변동성이 있는 X선 복사로 인해 HESS J0632+057가 LS I +61 303 또는 LS 5039와 유사한 테바론 이진 시스템일 가능성을 검증하기 위해.
• 질량이 큰 별 MWC 148가 자기장으로 채널링된 풍압 충격에서의 입자 가속을 통해 VHE 복사를 유발할 수 있는 중심 엔진인지 평가하기 위해.
• VERITAS 데이터를 사용하여 1 TeV 이상의 복사율을 제약하고, 이전 H.E.S.S. 측정과 비교하여 시간적 변동성을 탐지하기 위해.
• HESS J0632+057가 강한 자기장이 있는 질량이 큰 별에 의해 구동되는 새로운 유형의 은하계 VHE 복사원으로서의 잠재성을 평가하기 위해.

제안 방법

• VERITAS는 2006년 12월, 2008년 12월, 2009년 1월에 세 차례의 관측 캠프를 실시하였으며, 12m 이미징 대기 찰렌코프 망원경 4대로 구성된 어레이를 사용하였다.
• 관측는 원형 모드로 수행되었으며, 소스가 카메라 중심에서 0.5° 떨어져 있도록 설정되어 배경 제거 및 천구 커버리지 향상을 위해 유리하였다.
• 이미지 캘리브레이션, 정리 및 스테레오스코픽 재구성 기법을 적용하여 쇼어 이미지를 재구성하고, 영향 지점과 방향을 추정하였다.
• 형상 기반 컷(평균-감소-스케일링 폭/길이)과 각도 재구성(Θ² 컷)을 사용하여 감마선-핵입자 분리를 달성하였다.
• 배경 제거는 '링 배경' 및 '반사 영역' 방법을 사용하여 수행되었으며, 천체선 배경을 99.9% 이상 감소시키면서 감마선 이벤트의 45%를 유지하였다.
• 에너지 임계값은 720 GeV로 설정되었으며, 스펙트럼 지수 Γ = 2.5인 파wr-법칙 스펙트럼을 가정하여 99% 신뢰수준에서 상한선을 계산하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 HESS J0632+057의 고에너지 감마선 복사가 다중 에포크 관측에 의해 시간에 따라 변동되는가?
• RQ2 HESS J0632+057에서 관측된 복사율 변동성이 LS I +61 303 또는 LS 5039와 유사한 테바론 이진 시스템과의 연관성을 지지하는가?
• RQ3 MWC 148와 이진 시스템을 이루는 밀도 높은 천체에서 발생하는 상대론적 제트나 충격파에서의 입자 가속에 의해 감마선 복사가 설명될 수 있는가?
• RQ4 MWC 148의 원성 환경이 제2종 파르미 가속을 가능하게 할 정도로 충분히 자기장이 강한가?
• RQ5 VERITAS의 복사율 상한과 이전 H.E.S.S. 측정값 사이의 격리가 소스의 변동성 측면에서 어떤 의미를 갖는가?

주요 결과

• VERITAS는 세 개의 관측 세트를 통해 총 1862분 동안 HESS J0632+057를 관측하였으며, 소스 위치에서 유의미한 감마선 이벤트 감지 결과는 없었으며, 1 TeV에서 2.1σ의 신뢰도를 보였다.
• 1 TeV 이상의 복사율에 대한 99% 신뢰수준 상한선은 2.6 × 10⁻¹³ cm⁻² s⁻¹이며, 크래브 성운 복사율의 약 1.1%에 해당한다.
• 이 VERITAS 복사율 상한선은 2004–2005년 동안 H.E.S.S.에서 보고된 복사율 측정값보다 2.4배 낮아, 뚜렷한 복사율 감소를 시사한다.
• VERITAS와 H.E.S.S. 복사율을 비교한 카이제곱 검정에서, 복사율이 일정하다는 가정의 확률은 오직 0.007% (약 4σ)에 불과하여, 복사율의 변동성이 강력히 지지된다.
• 이전에 보고된 XMMU J063259.3+054801 소스의 X선 변동성은 감마선 변동성과 일치하며, 이는 이진 시스템 내에서 공통의 기원을 지지한다.
• 결과는 HESS J0632+057가 LS I +61 303 및 LS 5039와 유사하게 상대론적 제트나 충격파에서 입자 가속에 의해 감마선 복사가 발생하는 테바론 이진 시스템일 가능성이 높다는 시나리오를 지지한다.